autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

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ipeii AUTARQUIA ASSOCIADA A UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESTUDO DO EFEITO DA RADIAÇÃO IONIZANTE NA UTIUZAÇÃO DOS CATALISADORES DESATIVADOS DE CRAQUEAMENTO Fernando Mantovani Kondo Dissertação apresentada como parte dos requisitos para obtenção do Grau de Mestre em Ciências na Área de Tecnologia Nuclear -Aplicações Orientador: Prof. Dr. Wilson Aparecido Parejo Calvo São Paulo 2014

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ipeii AUTARQUIA ASSOCIADA A UNIVERSIDADE DE SAtildeO PAULO

ESTUDO DO EFEITO DA RADIACcedilAtildeO IONIZANTE NA UTIUZACcedilAtildeO DOS CATALISADORES DESATIVADOS DE CRAQUEAMENTO

Fernando Mantovani Kondo

Dissertaccedilatildeo apresentada como parte dos requisitos para obtenccedilatildeo do Grau de Mestre em Ciecircncias na Aacuterea de Tecnologia Nuclear -Aplicaccedilotildees

Orientador Prof Dr Wilson Aparecido Parejo Calvo

Satildeo Paulo 2014

INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGEacuteTICAS E NUCLEARES Autarquia associada agrave Universidade de Satildeo Paulo

ESTUDO DO EFEITO DA RADIACcedilAO IONIZANTE NA UTIUZACcedilAO DOS CATALISADORES DESATIVADOS DE CRAQUEAMENTO

Fernando Mantovani Kondo

Dissertaccedilatildeo apresentada como parte dos requisitos para obtenccedilatildeo do Grau de Mestre em Ciecircncias na Aacuterea de Tecnologia Nuclear-Aplicaccedilotildees

Orientador Prof Dr Wilson Aparecido Parejo Calvo

Versatildeo Corrigida Versatildeo Original disponiacutevel no IPEN

Satildeo Paulo 2014

Agrave transformaccedilatildeo

AGRADECIMENTOS

Ao meu orientador Dr Wilson Aparecido Parejo Calvo pela sua

paciecircncia orientaccedilatildeo e perspicaacutecia Colaborando sempre com argumentos

positivos impulsionando-me em todas as discussotildees com energia revigorante

Ao Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees que me acolheu e cedeu-me

suas instalaccedilotildees representado pela Dra Margarida Mizue Hamada gerente do

CTR gerentes adjuntos Dra Mocircnica Beatriz Mathor e Dr Wilson Aparecido Parejo

Calvo

Ao Dr Nelson Batista de Lima pelas valorosas anaacutelises pela companhia

agradaacutevel e alegre e pelo conhecimento transmitido durante as interpretaccedilotildees dos

resultados

A Dra Ivone Mulako Sato pela colaboraccedilatildeo nas anaacutelises por sua

presteza educaccedilatildeo e conselhos

A minha famiacutelia presente em todos os momentos compartilhando

experiecircncias felicidades e sempre me incentivando a prosseguir com

determinaccedilatildeo

Aos engenheiros Carlos Gaia da Silveira e Elizabeth Sebastiana Ribeiro

Somessari pela atenccedilatildeo perseveranccedila e colaboraccedilatildeo na realizaccedilatildeo do

processamento por radiaccedilatildeo das amostras

Aos prestativos secretaacuterios Marcos Cardoso da Silva e Claacuteudia Regina

Nolla nos assuntos administrativos

Aos colegas de estudos e de laboratoacuterio que colaboraram na realizaccedilatildeo

deste trabalho e compartilharam momentos descontraiacutedos Adriano dos Santos

Oliveira Alexandre Franccedila Velo Amanda Cristina Ramos Koike Carla Daruich de

Souza Cauecirc de Mello Ferraz Dayane Piffer Luco Diego Vergaccedilas de Sousa

Carvalho Fernando dos Santos Peleias Junior Joatildeo Francisco Trencher Martins

Luana dos Santos Andrade Nelson Mendes Alves Patriacutecia Yoko Inamura

Takinami Rejane Daniela de Campos Renato Cesar Duarte Rodrigo Crespo

Mosca Rodrigo Kirita e Vanessa Honda Ogihara Silva

Agrave PETROBRAS e agrave Faacutebrica Carioca de Catalisadores pelo fornecimento

dos materiais de estudo

Ao CNPq pelo auxiacutelio financeiro

|j)iacutee Z^auberfiotildete ~ r iacute e der Kotildeniacutegiacuten der fjacht

(Mozart)

ESTUDO DO EFEITO DA RADIACcedilAtildeO IONIZANTE NA UTILIZACcedilAtildeO DOS CATALISADORES DESATIVADOS DE CRAQUEAMENTO

FERNANDO MANTOVANI KONDO

RESUMO

Catalisadoreacute uma substacircncia que altera a velocidade de uma reaccedilatildeo Na induacutestria

do petroacuteleo os catalisadores mais utilizados satildeo os catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) cada qual utilizado em uma

determinada etapa do processo Esses catalisadores satildeo usados para facilitar a

quebra das cadeias moleculares que daratildeo origem a uma mistura de

hidrocarbonetos Contudo o catalisador perde progressivamente sua atividade

seja pela mudanccedila de sua estrutura molecular original ou pela sua contaminaccedilatildeo

provenientes de outras moleacuteculas do petroacuteleo A aplicaccedilatildeo das radiaccedilotildees ionizantes

(feixe de eleacutetrons e raios gama) nesses catalisadores desativados foi estudada para

auxiliar na extraccedilatildeo de metais ou terras-raras de alto valoragregado Nos ensaios

realizados com os catalisadores de FCC utilizaram-se das teacutecnicas de irradiaccedilatildeo

por 60Co e porfeixe de eleacutetrons (EB) e tiveram como estudo a extraccedilatildeo do lantacircnio

(La2Uuml3) a regeneraccedilatildeo e utilizaccedilatildeo desses catalisadores Entretanto o uso da

radiaccedilatildeo ionizante natildeo contribuiu nesses processos Jaacute nos catalisadores de HCC

foi utilizado a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons e como estudo a extraccedilatildeo do

molibdecircnio (Mo03) Na temperatura em torno de 750degC nesses catalisadores

irradiados do leito inferior obteve-se um rendimento de extraccedilatildeo duas vezes maior

em comparaccedilatildeo aos natildeo irradiados ou seja de 5765 e 2624 respectivamente

STUDY OF THE EFFECT OF IONIZING RADIATION FOR UTILIZATION OF SPENT CRACKING CATALYSTS

FERNANDO MANTOVANI KONDO

ABSTRACT

Catalyst is a substance that changes the rate of a reaction In the petroleum industry

the commonly catalysts are used for Fluid Catalytic Cracking (FCC) and

Hidrocatalytic Cracking (HCC) which one applied in a specific stage These

catalysts are used to facilitate the molecular chains cracking which will generate a

mixture of hydrocarbons However the catalyst gradually loses its activity either by

changing its original molecular structure or by its contamination from other

petroleum molecules The application of ionizing radiation (electron beam and

gamma rays) over these spent catalysts was studied to contribute with the extraction

of metals or rare-earths of high added-value Tests carried out with FCC catalysts

were used the techniques of 60Co irradiation and electron beam (EB) and had as a

subject the extraction of lanthanum (La203) regeneration and utilization of these

catalysts However the use of ionizing radiation has not contributed in these

processes Meanwhile with HCC catalysts the irradiation used was electron beam

and had as a subject the extraction of molybdenum (Mo03) In temperature around

750degC these irradiated catalysts of the lower region have an extraction yield twice

higher compared to non-irradiated ones in other words 5765 and 2624

respectively

SUMAacuteRIO

Paacutegina

Capiacutetulo 1 14 INTRODUCcedilAtildeO 14 Capiacutetulo2 16

OBJETIVO 16 Capiacutetulo3 17 REVISAtildeO DA LITERATURA 17

31 Acataacutelise e o petroacuteleo 17

32 Craqueamento cataliacutetico 21

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico 22

34 Catalisadores e o meio ambiente 24

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees 25

351 Radiaccedilatildeo ionizante 26

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada 26

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo 27

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel 29

Capiacutetulo4 31 MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS 31

41 Teacutecnicas experimentais 31

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial 32

421 Catalisador de FCC 35

4211 Anaacutelises iniciais 35

4212 Preparo das amostras 39

4213 Resultados e discussatildeo 42

422 Catalisador de HCC 53

4221 Anaacutelises iniciais 53

4222 Preparo das amostras 56

4223 Resultados e discussatildeo 60

Capiacutetulootilde 67 CONCLUSAtildeO 67 Trabalhos futuros 68 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 69

LISTA DE FIGURAS

Paacutegina

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos

comercializaacuteveis 20

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de

Radiation-Thermal Treatment(RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partir

de resiacuteduos soacutelidos de catalisadores 29

FIGURA3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

32

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado

do leito inferior e c) desativado do leito superior 34

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadorde FCC 35

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem e b) desativado 37

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem 38

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado 39

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado

a 20kGy por raios gama 43

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e

virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy

e 150kGy 44

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado

e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100

kGye 150 kGy 44

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio 45

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita 46

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita 46

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC

virgem desativado e contaminado com niacutequel 51

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem

contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy porfeixe de eleacutetrons e

tratado com diclorometano e desativado 52

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadordeHCC 53

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC

virgem e desativados do leito inferior e superior 54

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de

HCC do leito superior 55

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de

temperatura 57

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo

simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP 58

FIGURA22 -Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura 60

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito inferior 64

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito superior 64

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por

RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de

eleacutetronsde 13 MeV 65

FIGURA26 - Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento

do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT 66

LISTA DE TABELAS

Paacutegina

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC 33

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e

desativados do leito inferiore superior 34

TABELA 3-Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC 37

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por

feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico 47

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com

feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy 49

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados

(60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy porfeixe de eleacutetrons 50

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente 61

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de

3036 MGy 62

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos

catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior 63

14

Capiacutetulo 1

INTRODUCcedilAtildeO

Qualquer um que considere cataacutelise heterogecircnea como um aspecto da

ciecircncia de superfiacutecie e estude o comportamento das moleacuteculas em uma superfiacutecie

cataliacutetica natildeo eacute suscetiacutevel de ser atraiacutedo pela ideia de um bombeamento de resiacuteduo

de petroacuteleo ao longo de superfiacutecies cataliacuteticas limpas e cuidadosamente

caracterizadas Catalisadores projetados para dessulfurarfraccedilotildees de destilaccedilatildeo de

petroacuteleo (Co-Moalumina ou Ni-Moalumina) perderatildeo a sua atividade em alguns

dias quando em contato com um resiacuteduo de petroacuteleo nas condiccedilotildees em que

poderiam funcionar bem durante vaacuterios anos em destilaccedilatildeo comercial de

hidroprocessamento (Oelderik 1989)

A cataacutelise foi praticada pela sociedade durante muitos anos sem que

tivesse o conhecimento dela como na fabricaccedilatildeo de vinhos e cervejas Atualmente

os catalisadores satildeo usados para dinamizar a forma com que produzimos materiais

em nosso ambiente sendo que seu impacto eacute substancial Induacutestrias quiacutemicas e

refinarias de petroacuteleo satildeo interconectadas com a induacutestria de catalisadores

(Armor 2011)

A concentraccedilatildeo do enxofre no oacuteleo varia de 02 (Golfo Peacutersico) a 4

(Meacutexico e Venezuela) O enxofre adveacutem de mercaptanas dissulfetos e aacutecido

sulfiacutedrico que lixiviaram para o oacuteleo Oacuteleos com elevada concentraccedilatildeo de enxofre

tecircm maior impacto nas operaccedilotildees da refinaria em funccedilatildeo dos seus efeitos

corrosivos As mercaptanas tecircm limite olfativo de partes por bilhatildeo (ppb) e

representam um seacuterio problema ambiental (Burgess 1997)

15

Por muitos anos utilizou-se aacutecido sulfuacuterico para extrair compostos agrave

base de enxofre gerando lodo aacutecido que exigia tratamento preacutevio agrave disposiccedilatildeo O

aacutecido sulfuacuterico foi substituiacutedo por aacutecido fluoriacutedrico Esses meacutetodos aacutecidos estatildeo

sendo substituiacutedos por teacutecnicas cataliacuteticas usando niacutequel cobalto e catalisadores

agrave base de molibdecircnio em gracircnulos pellets ou poacute dessulfuraccedilatildeo cataliacutetica ou

hidrotratamento (Burgess 1997)

O catalisador de FCC eacute composto basicamente por oacutexido de alumiacutenio

(AI2O3) e oacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) O processo de FCC tem como principal objetivo a

produccedilatildeo de nafta de alta octanagem e Gaacutes Liquefeito do Petroacuteleo (GLP) Jaacute o

catalisador de HCC eacute constituiacutedo de um suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) no

qual se depositam oacutexidos de niacutequel-molibdecircnio (NiO-MoO) O processo de HCC

ocorre na presenccedila do catalisador altas temperaturas e pressotildees e presenccedila de

grandes volumes de hidrogecircnio (Abadie 2002)

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte dos catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos

Oacuteleos crus satildeo misturas coloidais de diversos hidrocarbonetos Variam

de condensados leves altamente volaacuteteis e de baixas massas molares a pesadas

densos e altamente viscosos (oacuteleo pesado e betume) com uma tendecircncia de

elevada massa molar Oacuteleos pesados e crus normalmente possuem mais enxofre

nitrogecircnio e metais e satildeo vendidos com um desconto significativo aos oacuteleos leves

crus por exemplo os oacuteleos West Texas Intermediate (NationalEnergy Technology

Laboratory 2005)

Pesquisas em radiaccedilatildeo aplicadas ao petroacuteleo vem sendo estudadas

pelas maiores companhias petroliacuteferas desde 1950 Amplas variedades de fontes

radioativas a fontes de alta energia estatildeo sendo exploradas tais como emissatildeo de

necircutrons eleacutetrons raios gama partiacuteculas beta e produtos de fissatildeo

16

Capiacutetulo 2

OBJETIVO

O presente trabalho tem como objetivo estudar os efeitos das radiaccedilotildees

ionizantes (raios gama e feixe de eleacutetrons) nos catalisadores desativados de Fluid

Catalytic Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) para se viabilizar a

extraccedilatildeo de elementos quiacutemicos de alto valor agregado No caso dos catalisadores

de FCC tecircm-se como meta a extraccedilatildeo do lantacircnio (La203) a regeneraccedilatildeo e

utilizaccedilatildeo dos catalisadores jaacute para o catalisador de HCC a extraccedilatildeo do molibdecircnio

(M0O3)

17

Capiacutetulo 3

REVISAtildeO DA LITERATURA

31 A cataacutelise e o petroacuteleo

A primeira etapa de destilaccedilatildeo ocorre a pressatildeo atmosfeacuterica seguindo-

se uma seacuterie de estaacutegios com a retirada de aacutegua e dessalinizaccedilatildeo onde o oacuteleo eacute

processado em caldeiras para a vaporizaccedilatildeo parcial Eacute aquecido entre 340 degC a

345 degC antes do fracionamento O oacuteleo aquecido entra na torre de destilaccedilatildeo em

duas fraccedilotildees o vapor comeccedila a subir enquanto o petroacuteleo bruto reduzido natildeo

vaporizado eacute retirado pelo fundo da torre para o processamento de uma unidade

de destilaccedilatildeo a vaacutecuo O vapor resfria-se agrave medida que ascende e as fracccedilotildees de

elevado ponto de ebuliccedilatildeo se condensam nos pratos mais baixos Esse vapor

conteacutem alta porcentagem de hidrocarbonetos recuperaacuteveis com liacutequido

O gaacutes (gasoacuteleo) proveniente da destilaccedilatildeo simples e a vaacutecuo pode ser

processado no craqueamento cataliacutetico para produzir olefinas diolefinas

hidrocarbonetos aromaacuteticos e nafteno O oacuteleo pesado e o gasoacuteleo vatildeo para o

craqueador cataliacutetico entre 470 degC a 550 degC e de 689 kPa a 2067 kPa (10 Psi a

30 Psi) e por meio da interaccedilatildeo com os catalisadores (zeoacutelitas alumina-silicatos

argila em pellets ou poacute) 50 a 80 eacute craqueado em gasolina e em oacuteleo

combustiacutevel leve e pesado

Uma caracteriacutestica da operaccedilatildeo eacute a formaccedilatildeo de elevada porcentagem

de compostos aromaacuteticos A superfiacutecie do catalisador fica recoberta de depoacutesitos

de carbono leve e deve ser regenerada mediante aquecimento entre 540 degC a

650 degC em contato com o ar

18

Os destilados e o querosene cru satildeo tratados na planta de hidrogenaccedilatildeo

para conversatildeo destas matrizes em produtos de ponto de ebuliccedilatildeo mais baixos No

primeiro estaacutegio da operaccedilatildeo a 300 degC e pressatildeo de 206843 kPa (3000 Psi)

enxofre e nitrogecircnio satildeo removidos O craqueamento ocorre no segundo estaacutegio

no berccedilo cataliacutetico de cobalto-molibdecircnio ou cobalto-niacutequel em temperatura de

315 degC e pressatildeo de 103421 kPa (1500 Psi) Produtos apresentando larga faixa

de ebuliccedilatildeo satildeo formados e podem ser fracionados em produtos uacuteteis querosene

oacuteleo diesel e oacuteleo combustiacutevel leve

A nafta pesada contendo naftenos e parafinas eacute processada por meio

de unidades de reforma cataliacutetica que convertem o material a hidrocarbonetos

aromaacuteticos Esse processo eacute conduzido em temperatura elevada utilizando-se

como catalisador a platina o palaacutedio ou o niacutequel-cobalto O produto eacute utilizado

diretamente na refinaria para melhorar a octanagem da gasolina ou vendido para

petroquiacutemicas (Burgess 1997)

Em teoria as operaccedilotildees unitaacuterias da refinaccedilatildeo do oacuteleo parecem simples

na pratica satildeo bastante complicadas Uma refinaria consiste em uma ou mais

unidades aleacutem da unidade de destilaccedilatildeo que compreendem forno calefator de

oacuteleo torre de fracionamento retificadores a vapor equipamento de troca teacutermica

resfriadores e condensadores tambores de acumulo na unidade agitadores

descontiacutenuos ou unidade a tanquefechado de operaccedilatildeo continua (trata os produtos

e remove compostos nocivos de enxofre e atribui aos produtos uma cor aceitaacutevel)

filtros tanques de homogeneizaccedilatildeo e mistura da carga sistema de dutos para

recepccedilatildeo do oacuteleo cru bombas para transferecircncia dos oacuteleos e para carga e

embarque dos produtos tanques de estocagem do suprimento de oacuteleo e dos

produtos acabados sistema de recuperaccedilatildeo de vapor e diversos auxiliares

Deve-se incluir tambeacutem uma usina para geraccedilatildeo de vapor e

possivelmente de luz e eletricidade Na operaccedilatildeo dessa grande entidade os

balanccedilos de calor de energia e de massa satildeo da maior importacircncia para se

manterem riacutegidos controles de todas as etapas de processamento do oacuteleo

19

Na FIG 1 eacute mostrada uma representaccedilatildeo esquemaacutetica que exemplifica

um sistema baacutesico de refino com a separaccedilatildeo do oacuteleo cru nas diversas fraccedilotildees e

o tratamento subsequumlente de cada fraccedilatildeo os vaacuterios produtos satildeo removidos da

torre de oacuteleo cru conforme diagrama (Shreve 1977)

Gagraves

_ L xx fT ^

1 Oacuteleo cru

DESTILACcedilAtildeO DO OacuteLEO

CRU

As diversas operaccedilotildees e os vaacuterios produtos dependem da espeacuteice de oacuteleo que estaacute sendo destilada

Gasolina destilada

Nafta

REFORMA CATALITICA

Gasolina destilada

Gasolina de alta octanagem

S

uumlas liqueteito de petrograveleo

RECUPERACAtildeO DE GAacuteS Eacute

ESTABILIZACAtildeO DE GASOLINA

Isobutano

Butano

m ogt m ltigt

raquo c t l

Querosene ou oacuteleo combustiacutevel leve uuml

Gasoacuteleo

Gasoacuteleo i

Residuo

Residuo asfaacuteltico

Resiacuteduo de

lubrificante

pesaao

DESTILACcedilAtildeO ATMOSFEacuteRICA OU A VAacuteCUO

DESTILACAO A VAacuteCUO

DESTILACcedilAtildeO A VAacuteCULO

O l

r^ r CRAQUEAMENTO CATALIacuteTICO

1

-

Oleo 0U (

de fornalha )leo Diesel

Oleos combustiveis pesados

Oleo combustivel pesado

Asf 1105

diams Gasoacuteleo pesado

Oleo lubrificante destilado

Residuo de oacuteleo lubrificante

REFINA-CcedilAgraveOA SOL-

VFNTF

REFINA-CcedilAtildeOA SOL-

VENTE

ISOMERIZACcedilAtildeO

POLIME-RIZACcedilAtildeO

ALQUI-LACcedilAtildeO

Gasolina estabilizada

o Dusobuteno 8

(S s

HIDRO-GENACcedilIacuteO

o

d) 7 1 5 E -lt2 S

o

5

lt

ts S

HOMOGE

8

rmdash

NEIZACcedilAO Querosene

Oacuteleo de fornalha leve

Oacuteleo de fornalha

Oacuteleo Diesel

Oacuteleos combustiacuteveis pesados

Asfalto

1 amp iacute 8 o

DESPARA-FINACcedilAtildeO DESCO-

RAMENTO

Oleos lubrifican Oacuteleos

tes

Parafina O 1 1

HOMOGE-NEIZACAO

E EMBA-LAGEM

USINA DE REFINA-CAtildeODE

PAacuteRAFINA

Asfaltos

raquo-

mdashyen

mdash

mdash gt gt

Parafmas refinadas

Cozinha

Aeronaves

Automoacuteveis

Sitios e fazendas

Aquecimento domecircstico

Estradas de ferro

Faacutebricas

Embarcaccedilotildees

Estradas

Papel parafinado

Fonte Shreve 1977p593

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos comercializaacuteveis

21

32 Craqueamento cataliacutetico

O craqueamento cataliacutetico eacute um processo de quebra molecular Sua

carga eacute uma mistura de gasoacuteleo de vaacutecuo e oacuteleo desasfaltado que submetida a

condiccedilotildees bastante severas em presenccedila do catalisador eacute transformada em vaacuterias

outras fraccedilotildees mais leves produzindo gaacutes combustiacutevel gaacutes liquefeito nafta

gasoacuteleo leve (oacuteleo diesel de craqueamento) e gasoacuteleo pesado de craqueamento

(oacuteleo combustiacutevel) As reaccedilotildees produzem tambeacutem coque que se deposita no

catalisador e eacute queimado quando na regeneraccedilatildeo desse uacuteltimo gerando gaacutes de

combustatildeo de alto conteuacutedo energeacutetico usado na geraccedilatildeo de vapor de aacutegua de

alta pressatildeo

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial tomando

um notaacutevel impulso com este conflito em face agrave grande necessidade dos aliados

em relaccedilatildeo a suprimentos de gasolina e material petroquiacutemico para suas tropas

Com o fim da guerra o craqueamento cataliacutetico firmou-se principalmente em

funccedilatildeo da produccedilatildeo de nafta em maior quantidade de melhor qualidade e com

custos de produccedilatildeo bem inferiores aos outros processos existentes na eacutepoca

Eacute um processo destinado por excelecircncia agrave produccedilatildeo de nafta de alta

octanagem o derivado que aparece em maior quantidade de 50 a 65 do

volume em relaccedilatildeo agrave carga processada O segundo derivado em maior proporccedilatildeo

eacute o gaacutes liquefeito de petroacuteleo (GLP) de 25 a 40 do volume em relaccedilatildeo agrave carga

Em menores rendimentos temos tambeacutem o oacuteleo diesel de craqueamento Light

Cycle 07 (LCO) o oacuteleo combustiacutevel de craqueamento (oacuteleo decantado ou

clarificado) o gaacutes combustiacutevel e o gaacutes sulfiacutedrico (H2S) O coque gerado eacute

depositado no catalisadore queimado na regeneraccedilatildeo

A grande necessidade nacional de produccedilatildeo de GLP e principalmente

de gasolina ateacute o final dos anos setenta fez com que a PETROBRAS instalasse

este processo em todas as suas refinarias O craqueamento cataliacutetico tambeacutem

conhecido como Fluid Catalytic Cracking (FCC) eacute um processo de grande

versatilidade e de elevada rentabilidade no quadro atual do refino embora seja

tambeacutem uma unidade de alto investimento para sua implantaccedilatildeo (Abadie 2002)

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

1 ABADIE E Processo de Refino Material compilado pela Petrobraacutes Curitiba 2002

2 ADIGAMOV BYA LUNIN VV MIROSHNICHENKO II et at Vestn Mosk Univ Ser 2 Khim Vol 29 p 395 1988

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Page 2: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGEacuteTICAS E NUCLEARES Autarquia associada agrave Universidade de Satildeo Paulo

ESTUDO DO EFEITO DA RADIACcedilAO IONIZANTE NA UTIUZACcedilAO DOS CATALISADORES DESATIVADOS DE CRAQUEAMENTO

Fernando Mantovani Kondo

Dissertaccedilatildeo apresentada como parte dos requisitos para obtenccedilatildeo do Grau de Mestre em Ciecircncias na Aacuterea de Tecnologia Nuclear-Aplicaccedilotildees

Orientador Prof Dr Wilson Aparecido Parejo Calvo

Versatildeo Corrigida Versatildeo Original disponiacutevel no IPEN

Satildeo Paulo 2014

Agrave transformaccedilatildeo

AGRADECIMENTOS

Ao meu orientador Dr Wilson Aparecido Parejo Calvo pela sua

paciecircncia orientaccedilatildeo e perspicaacutecia Colaborando sempre com argumentos

positivos impulsionando-me em todas as discussotildees com energia revigorante

Ao Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees que me acolheu e cedeu-me

suas instalaccedilotildees representado pela Dra Margarida Mizue Hamada gerente do

CTR gerentes adjuntos Dra Mocircnica Beatriz Mathor e Dr Wilson Aparecido Parejo

Calvo

Ao Dr Nelson Batista de Lima pelas valorosas anaacutelises pela companhia

agradaacutevel e alegre e pelo conhecimento transmitido durante as interpretaccedilotildees dos

resultados

A Dra Ivone Mulako Sato pela colaboraccedilatildeo nas anaacutelises por sua

presteza educaccedilatildeo e conselhos

A minha famiacutelia presente em todos os momentos compartilhando

experiecircncias felicidades e sempre me incentivando a prosseguir com

determinaccedilatildeo

Aos engenheiros Carlos Gaia da Silveira e Elizabeth Sebastiana Ribeiro

Somessari pela atenccedilatildeo perseveranccedila e colaboraccedilatildeo na realizaccedilatildeo do

processamento por radiaccedilatildeo das amostras

Aos prestativos secretaacuterios Marcos Cardoso da Silva e Claacuteudia Regina

Nolla nos assuntos administrativos

Aos colegas de estudos e de laboratoacuterio que colaboraram na realizaccedilatildeo

deste trabalho e compartilharam momentos descontraiacutedos Adriano dos Santos

Oliveira Alexandre Franccedila Velo Amanda Cristina Ramos Koike Carla Daruich de

Souza Cauecirc de Mello Ferraz Dayane Piffer Luco Diego Vergaccedilas de Sousa

Carvalho Fernando dos Santos Peleias Junior Joatildeo Francisco Trencher Martins

Luana dos Santos Andrade Nelson Mendes Alves Patriacutecia Yoko Inamura

Takinami Rejane Daniela de Campos Renato Cesar Duarte Rodrigo Crespo

Mosca Rodrigo Kirita e Vanessa Honda Ogihara Silva

Agrave PETROBRAS e agrave Faacutebrica Carioca de Catalisadores pelo fornecimento

dos materiais de estudo

Ao CNPq pelo auxiacutelio financeiro

|j)iacutee Z^auberfiotildete ~ r iacute e der Kotildeniacutegiacuten der fjacht

(Mozart)

ESTUDO DO EFEITO DA RADIACcedilAtildeO IONIZANTE NA UTILIZACcedilAtildeO DOS CATALISADORES DESATIVADOS DE CRAQUEAMENTO

FERNANDO MANTOVANI KONDO

RESUMO

Catalisadoreacute uma substacircncia que altera a velocidade de uma reaccedilatildeo Na induacutestria

do petroacuteleo os catalisadores mais utilizados satildeo os catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) cada qual utilizado em uma

determinada etapa do processo Esses catalisadores satildeo usados para facilitar a

quebra das cadeias moleculares que daratildeo origem a uma mistura de

hidrocarbonetos Contudo o catalisador perde progressivamente sua atividade

seja pela mudanccedila de sua estrutura molecular original ou pela sua contaminaccedilatildeo

provenientes de outras moleacuteculas do petroacuteleo A aplicaccedilatildeo das radiaccedilotildees ionizantes

(feixe de eleacutetrons e raios gama) nesses catalisadores desativados foi estudada para

auxiliar na extraccedilatildeo de metais ou terras-raras de alto valoragregado Nos ensaios

realizados com os catalisadores de FCC utilizaram-se das teacutecnicas de irradiaccedilatildeo

por 60Co e porfeixe de eleacutetrons (EB) e tiveram como estudo a extraccedilatildeo do lantacircnio

(La2Uuml3) a regeneraccedilatildeo e utilizaccedilatildeo desses catalisadores Entretanto o uso da

radiaccedilatildeo ionizante natildeo contribuiu nesses processos Jaacute nos catalisadores de HCC

foi utilizado a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons e como estudo a extraccedilatildeo do

molibdecircnio (Mo03) Na temperatura em torno de 750degC nesses catalisadores

irradiados do leito inferior obteve-se um rendimento de extraccedilatildeo duas vezes maior

em comparaccedilatildeo aos natildeo irradiados ou seja de 5765 e 2624 respectivamente

STUDY OF THE EFFECT OF IONIZING RADIATION FOR UTILIZATION OF SPENT CRACKING CATALYSTS

FERNANDO MANTOVANI KONDO

ABSTRACT

Catalyst is a substance that changes the rate of a reaction In the petroleum industry

the commonly catalysts are used for Fluid Catalytic Cracking (FCC) and

Hidrocatalytic Cracking (HCC) which one applied in a specific stage These

catalysts are used to facilitate the molecular chains cracking which will generate a

mixture of hydrocarbons However the catalyst gradually loses its activity either by

changing its original molecular structure or by its contamination from other

petroleum molecules The application of ionizing radiation (electron beam and

gamma rays) over these spent catalysts was studied to contribute with the extraction

of metals or rare-earths of high added-value Tests carried out with FCC catalysts

were used the techniques of 60Co irradiation and electron beam (EB) and had as a

subject the extraction of lanthanum (La203) regeneration and utilization of these

catalysts However the use of ionizing radiation has not contributed in these

processes Meanwhile with HCC catalysts the irradiation used was electron beam

and had as a subject the extraction of molybdenum (Mo03) In temperature around

750degC these irradiated catalysts of the lower region have an extraction yield twice

higher compared to non-irradiated ones in other words 5765 and 2624

respectively

SUMAacuteRIO

Paacutegina

Capiacutetulo 1 14 INTRODUCcedilAtildeO 14 Capiacutetulo2 16

OBJETIVO 16 Capiacutetulo3 17 REVISAtildeO DA LITERATURA 17

31 Acataacutelise e o petroacuteleo 17

32 Craqueamento cataliacutetico 21

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico 22

34 Catalisadores e o meio ambiente 24

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees 25

351 Radiaccedilatildeo ionizante 26

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada 26

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo 27

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel 29

Capiacutetulo4 31 MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS 31

41 Teacutecnicas experimentais 31

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial 32

421 Catalisador de FCC 35

4211 Anaacutelises iniciais 35

4212 Preparo das amostras 39

4213 Resultados e discussatildeo 42

422 Catalisador de HCC 53

4221 Anaacutelises iniciais 53

4222 Preparo das amostras 56

4223 Resultados e discussatildeo 60

Capiacutetulootilde 67 CONCLUSAtildeO 67 Trabalhos futuros 68 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 69

LISTA DE FIGURAS

Paacutegina

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos

comercializaacuteveis 20

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de

Radiation-Thermal Treatment(RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partir

de resiacuteduos soacutelidos de catalisadores 29

FIGURA3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

32

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado

do leito inferior e c) desativado do leito superior 34

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadorde FCC 35

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem e b) desativado 37

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem 38

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado 39

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado

a 20kGy por raios gama 43

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e

virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy

e 150kGy 44

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado

e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100

kGye 150 kGy 44

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio 45

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita 46

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita 46

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC

virgem desativado e contaminado com niacutequel 51

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem

contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy porfeixe de eleacutetrons e

tratado com diclorometano e desativado 52

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadordeHCC 53

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC

virgem e desativados do leito inferior e superior 54

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de

HCC do leito superior 55

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de

temperatura 57

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo

simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP 58

FIGURA22 -Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura 60

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito inferior 64

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito superior 64

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por

RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de

eleacutetronsde 13 MeV 65

FIGURA26 - Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento

do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT 66

LISTA DE TABELAS

Paacutegina

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC 33

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e

desativados do leito inferiore superior 34

TABELA 3-Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC 37

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por

feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico 47

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com

feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy 49

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados

(60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy porfeixe de eleacutetrons 50

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente 61

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de

3036 MGy 62

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos

catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior 63

14

Capiacutetulo 1

INTRODUCcedilAtildeO

Qualquer um que considere cataacutelise heterogecircnea como um aspecto da

ciecircncia de superfiacutecie e estude o comportamento das moleacuteculas em uma superfiacutecie

cataliacutetica natildeo eacute suscetiacutevel de ser atraiacutedo pela ideia de um bombeamento de resiacuteduo

de petroacuteleo ao longo de superfiacutecies cataliacuteticas limpas e cuidadosamente

caracterizadas Catalisadores projetados para dessulfurarfraccedilotildees de destilaccedilatildeo de

petroacuteleo (Co-Moalumina ou Ni-Moalumina) perderatildeo a sua atividade em alguns

dias quando em contato com um resiacuteduo de petroacuteleo nas condiccedilotildees em que

poderiam funcionar bem durante vaacuterios anos em destilaccedilatildeo comercial de

hidroprocessamento (Oelderik 1989)

A cataacutelise foi praticada pela sociedade durante muitos anos sem que

tivesse o conhecimento dela como na fabricaccedilatildeo de vinhos e cervejas Atualmente

os catalisadores satildeo usados para dinamizar a forma com que produzimos materiais

em nosso ambiente sendo que seu impacto eacute substancial Induacutestrias quiacutemicas e

refinarias de petroacuteleo satildeo interconectadas com a induacutestria de catalisadores

(Armor 2011)

A concentraccedilatildeo do enxofre no oacuteleo varia de 02 (Golfo Peacutersico) a 4

(Meacutexico e Venezuela) O enxofre adveacutem de mercaptanas dissulfetos e aacutecido

sulfiacutedrico que lixiviaram para o oacuteleo Oacuteleos com elevada concentraccedilatildeo de enxofre

tecircm maior impacto nas operaccedilotildees da refinaria em funccedilatildeo dos seus efeitos

corrosivos As mercaptanas tecircm limite olfativo de partes por bilhatildeo (ppb) e

representam um seacuterio problema ambiental (Burgess 1997)

15

Por muitos anos utilizou-se aacutecido sulfuacuterico para extrair compostos agrave

base de enxofre gerando lodo aacutecido que exigia tratamento preacutevio agrave disposiccedilatildeo O

aacutecido sulfuacuterico foi substituiacutedo por aacutecido fluoriacutedrico Esses meacutetodos aacutecidos estatildeo

sendo substituiacutedos por teacutecnicas cataliacuteticas usando niacutequel cobalto e catalisadores

agrave base de molibdecircnio em gracircnulos pellets ou poacute dessulfuraccedilatildeo cataliacutetica ou

hidrotratamento (Burgess 1997)

O catalisador de FCC eacute composto basicamente por oacutexido de alumiacutenio

(AI2O3) e oacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) O processo de FCC tem como principal objetivo a

produccedilatildeo de nafta de alta octanagem e Gaacutes Liquefeito do Petroacuteleo (GLP) Jaacute o

catalisador de HCC eacute constituiacutedo de um suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) no

qual se depositam oacutexidos de niacutequel-molibdecircnio (NiO-MoO) O processo de HCC

ocorre na presenccedila do catalisador altas temperaturas e pressotildees e presenccedila de

grandes volumes de hidrogecircnio (Abadie 2002)

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte dos catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos

Oacuteleos crus satildeo misturas coloidais de diversos hidrocarbonetos Variam

de condensados leves altamente volaacuteteis e de baixas massas molares a pesadas

densos e altamente viscosos (oacuteleo pesado e betume) com uma tendecircncia de

elevada massa molar Oacuteleos pesados e crus normalmente possuem mais enxofre

nitrogecircnio e metais e satildeo vendidos com um desconto significativo aos oacuteleos leves

crus por exemplo os oacuteleos West Texas Intermediate (NationalEnergy Technology

Laboratory 2005)

Pesquisas em radiaccedilatildeo aplicadas ao petroacuteleo vem sendo estudadas

pelas maiores companhias petroliacuteferas desde 1950 Amplas variedades de fontes

radioativas a fontes de alta energia estatildeo sendo exploradas tais como emissatildeo de

necircutrons eleacutetrons raios gama partiacuteculas beta e produtos de fissatildeo

16

Capiacutetulo 2

OBJETIVO

O presente trabalho tem como objetivo estudar os efeitos das radiaccedilotildees

ionizantes (raios gama e feixe de eleacutetrons) nos catalisadores desativados de Fluid

Catalytic Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) para se viabilizar a

extraccedilatildeo de elementos quiacutemicos de alto valor agregado No caso dos catalisadores

de FCC tecircm-se como meta a extraccedilatildeo do lantacircnio (La203) a regeneraccedilatildeo e

utilizaccedilatildeo dos catalisadores jaacute para o catalisador de HCC a extraccedilatildeo do molibdecircnio

(M0O3)

17

Capiacutetulo 3

REVISAtildeO DA LITERATURA

31 A cataacutelise e o petroacuteleo

A primeira etapa de destilaccedilatildeo ocorre a pressatildeo atmosfeacuterica seguindo-

se uma seacuterie de estaacutegios com a retirada de aacutegua e dessalinizaccedilatildeo onde o oacuteleo eacute

processado em caldeiras para a vaporizaccedilatildeo parcial Eacute aquecido entre 340 degC a

345 degC antes do fracionamento O oacuteleo aquecido entra na torre de destilaccedilatildeo em

duas fraccedilotildees o vapor comeccedila a subir enquanto o petroacuteleo bruto reduzido natildeo

vaporizado eacute retirado pelo fundo da torre para o processamento de uma unidade

de destilaccedilatildeo a vaacutecuo O vapor resfria-se agrave medida que ascende e as fracccedilotildees de

elevado ponto de ebuliccedilatildeo se condensam nos pratos mais baixos Esse vapor

conteacutem alta porcentagem de hidrocarbonetos recuperaacuteveis com liacutequido

O gaacutes (gasoacuteleo) proveniente da destilaccedilatildeo simples e a vaacutecuo pode ser

processado no craqueamento cataliacutetico para produzir olefinas diolefinas

hidrocarbonetos aromaacuteticos e nafteno O oacuteleo pesado e o gasoacuteleo vatildeo para o

craqueador cataliacutetico entre 470 degC a 550 degC e de 689 kPa a 2067 kPa (10 Psi a

30 Psi) e por meio da interaccedilatildeo com os catalisadores (zeoacutelitas alumina-silicatos

argila em pellets ou poacute) 50 a 80 eacute craqueado em gasolina e em oacuteleo

combustiacutevel leve e pesado

Uma caracteriacutestica da operaccedilatildeo eacute a formaccedilatildeo de elevada porcentagem

de compostos aromaacuteticos A superfiacutecie do catalisador fica recoberta de depoacutesitos

de carbono leve e deve ser regenerada mediante aquecimento entre 540 degC a

650 degC em contato com o ar

18

Os destilados e o querosene cru satildeo tratados na planta de hidrogenaccedilatildeo

para conversatildeo destas matrizes em produtos de ponto de ebuliccedilatildeo mais baixos No

primeiro estaacutegio da operaccedilatildeo a 300 degC e pressatildeo de 206843 kPa (3000 Psi)

enxofre e nitrogecircnio satildeo removidos O craqueamento ocorre no segundo estaacutegio

no berccedilo cataliacutetico de cobalto-molibdecircnio ou cobalto-niacutequel em temperatura de

315 degC e pressatildeo de 103421 kPa (1500 Psi) Produtos apresentando larga faixa

de ebuliccedilatildeo satildeo formados e podem ser fracionados em produtos uacuteteis querosene

oacuteleo diesel e oacuteleo combustiacutevel leve

A nafta pesada contendo naftenos e parafinas eacute processada por meio

de unidades de reforma cataliacutetica que convertem o material a hidrocarbonetos

aromaacuteticos Esse processo eacute conduzido em temperatura elevada utilizando-se

como catalisador a platina o palaacutedio ou o niacutequel-cobalto O produto eacute utilizado

diretamente na refinaria para melhorar a octanagem da gasolina ou vendido para

petroquiacutemicas (Burgess 1997)

Em teoria as operaccedilotildees unitaacuterias da refinaccedilatildeo do oacuteleo parecem simples

na pratica satildeo bastante complicadas Uma refinaria consiste em uma ou mais

unidades aleacutem da unidade de destilaccedilatildeo que compreendem forno calefator de

oacuteleo torre de fracionamento retificadores a vapor equipamento de troca teacutermica

resfriadores e condensadores tambores de acumulo na unidade agitadores

descontiacutenuos ou unidade a tanquefechado de operaccedilatildeo continua (trata os produtos

e remove compostos nocivos de enxofre e atribui aos produtos uma cor aceitaacutevel)

filtros tanques de homogeneizaccedilatildeo e mistura da carga sistema de dutos para

recepccedilatildeo do oacuteleo cru bombas para transferecircncia dos oacuteleos e para carga e

embarque dos produtos tanques de estocagem do suprimento de oacuteleo e dos

produtos acabados sistema de recuperaccedilatildeo de vapor e diversos auxiliares

Deve-se incluir tambeacutem uma usina para geraccedilatildeo de vapor e

possivelmente de luz e eletricidade Na operaccedilatildeo dessa grande entidade os

balanccedilos de calor de energia e de massa satildeo da maior importacircncia para se

manterem riacutegidos controles de todas as etapas de processamento do oacuteleo

19

Na FIG 1 eacute mostrada uma representaccedilatildeo esquemaacutetica que exemplifica

um sistema baacutesico de refino com a separaccedilatildeo do oacuteleo cru nas diversas fraccedilotildees e

o tratamento subsequumlente de cada fraccedilatildeo os vaacuterios produtos satildeo removidos da

torre de oacuteleo cru conforme diagrama (Shreve 1977)

Gagraves

_ L xx fT ^

1 Oacuteleo cru

DESTILACcedilAtildeO DO OacuteLEO

CRU

As diversas operaccedilotildees e os vaacuterios produtos dependem da espeacuteice de oacuteleo que estaacute sendo destilada

Gasolina destilada

Nafta

REFORMA CATALITICA

Gasolina destilada

Gasolina de alta octanagem

S

uumlas liqueteito de petrograveleo

RECUPERACAtildeO DE GAacuteS Eacute

ESTABILIZACAtildeO DE GASOLINA

Isobutano

Butano

m ogt m ltigt

raquo c t l

Querosene ou oacuteleo combustiacutevel leve uuml

Gasoacuteleo

Gasoacuteleo i

Residuo

Residuo asfaacuteltico

Resiacuteduo de

lubrificante

pesaao

DESTILACcedilAtildeO ATMOSFEacuteRICA OU A VAacuteCUO

DESTILACAO A VAacuteCUO

DESTILACcedilAtildeO A VAacuteCULO

O l

r^ r CRAQUEAMENTO CATALIacuteTICO

1

-

Oleo 0U (

de fornalha )leo Diesel

Oleos combustiveis pesados

Oleo combustivel pesado

Asf 1105

diams Gasoacuteleo pesado

Oleo lubrificante destilado

Residuo de oacuteleo lubrificante

REFINA-CcedilAgraveOA SOL-

VFNTF

REFINA-CcedilAtildeOA SOL-

VENTE

ISOMERIZACcedilAtildeO

POLIME-RIZACcedilAtildeO

ALQUI-LACcedilAtildeO

Gasolina estabilizada

o Dusobuteno 8

(S s

HIDRO-GENACcedilIacuteO

o

d) 7 1 5 E -lt2 S

o

5

lt

ts S

HOMOGE

8

rmdash

NEIZACcedilAO Querosene

Oacuteleo de fornalha leve

Oacuteleo de fornalha

Oacuteleo Diesel

Oacuteleos combustiacuteveis pesados

Asfalto

1 amp iacute 8 o

DESPARA-FINACcedilAtildeO DESCO-

RAMENTO

Oleos lubrifican Oacuteleos

tes

Parafina O 1 1

HOMOGE-NEIZACAO

E EMBA-LAGEM

USINA DE REFINA-CAtildeODE

PAacuteRAFINA

Asfaltos

raquo-

mdashyen

mdash

mdash gt gt

Parafmas refinadas

Cozinha

Aeronaves

Automoacuteveis

Sitios e fazendas

Aquecimento domecircstico

Estradas de ferro

Faacutebricas

Embarcaccedilotildees

Estradas

Papel parafinado

Fonte Shreve 1977p593

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos comercializaacuteveis

21

32 Craqueamento cataliacutetico

O craqueamento cataliacutetico eacute um processo de quebra molecular Sua

carga eacute uma mistura de gasoacuteleo de vaacutecuo e oacuteleo desasfaltado que submetida a

condiccedilotildees bastante severas em presenccedila do catalisador eacute transformada em vaacuterias

outras fraccedilotildees mais leves produzindo gaacutes combustiacutevel gaacutes liquefeito nafta

gasoacuteleo leve (oacuteleo diesel de craqueamento) e gasoacuteleo pesado de craqueamento

(oacuteleo combustiacutevel) As reaccedilotildees produzem tambeacutem coque que se deposita no

catalisador e eacute queimado quando na regeneraccedilatildeo desse uacuteltimo gerando gaacutes de

combustatildeo de alto conteuacutedo energeacutetico usado na geraccedilatildeo de vapor de aacutegua de

alta pressatildeo

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial tomando

um notaacutevel impulso com este conflito em face agrave grande necessidade dos aliados

em relaccedilatildeo a suprimentos de gasolina e material petroquiacutemico para suas tropas

Com o fim da guerra o craqueamento cataliacutetico firmou-se principalmente em

funccedilatildeo da produccedilatildeo de nafta em maior quantidade de melhor qualidade e com

custos de produccedilatildeo bem inferiores aos outros processos existentes na eacutepoca

Eacute um processo destinado por excelecircncia agrave produccedilatildeo de nafta de alta

octanagem o derivado que aparece em maior quantidade de 50 a 65 do

volume em relaccedilatildeo agrave carga processada O segundo derivado em maior proporccedilatildeo

eacute o gaacutes liquefeito de petroacuteleo (GLP) de 25 a 40 do volume em relaccedilatildeo agrave carga

Em menores rendimentos temos tambeacutem o oacuteleo diesel de craqueamento Light

Cycle 07 (LCO) o oacuteleo combustiacutevel de craqueamento (oacuteleo decantado ou

clarificado) o gaacutes combustiacutevel e o gaacutes sulfiacutedrico (H2S) O coque gerado eacute

depositado no catalisadore queimado na regeneraccedilatildeo

A grande necessidade nacional de produccedilatildeo de GLP e principalmente

de gasolina ateacute o final dos anos setenta fez com que a PETROBRAS instalasse

este processo em todas as suas refinarias O craqueamento cataliacutetico tambeacutem

conhecido como Fluid Catalytic Cracking (FCC) eacute um processo de grande

versatilidade e de elevada rentabilidade no quadro atual do refino embora seja

tambeacutem uma unidade de alto investimento para sua implantaccedilatildeo (Abadie 2002)

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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33 NATIONAL ENERGY TECHNOLOGY LABORATORY A Literature Review on Cold Cracking of Petroleum Crude 07 Energy Policy Act of 2005Section 14062005

34 National Institute of Standards and Technology (NIST) Chemistry WebBook Disponiacutevel em lthttpwebbooknistgovcg icbookcgiID=B6004665ampMask=80IR-Specgt Acessado em 12 de Junho de 2014

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36 PAPINI CJ Estudo comparativo de meacutetodos de determinaccedilatildeo do tamanho de partiacutecula Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Ciecircncias na Aacuterea de Tecnologia Nuclear- Materiais) - Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares Universidade de Satildeo Paulo 2003

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Page 3: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

Agrave transformaccedilatildeo

AGRADECIMENTOS

Ao meu orientador Dr Wilson Aparecido Parejo Calvo pela sua

paciecircncia orientaccedilatildeo e perspicaacutecia Colaborando sempre com argumentos

positivos impulsionando-me em todas as discussotildees com energia revigorante

Ao Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees que me acolheu e cedeu-me

suas instalaccedilotildees representado pela Dra Margarida Mizue Hamada gerente do

CTR gerentes adjuntos Dra Mocircnica Beatriz Mathor e Dr Wilson Aparecido Parejo

Calvo

Ao Dr Nelson Batista de Lima pelas valorosas anaacutelises pela companhia

agradaacutevel e alegre e pelo conhecimento transmitido durante as interpretaccedilotildees dos

resultados

A Dra Ivone Mulako Sato pela colaboraccedilatildeo nas anaacutelises por sua

presteza educaccedilatildeo e conselhos

A minha famiacutelia presente em todos os momentos compartilhando

experiecircncias felicidades e sempre me incentivando a prosseguir com

determinaccedilatildeo

Aos engenheiros Carlos Gaia da Silveira e Elizabeth Sebastiana Ribeiro

Somessari pela atenccedilatildeo perseveranccedila e colaboraccedilatildeo na realizaccedilatildeo do

processamento por radiaccedilatildeo das amostras

Aos prestativos secretaacuterios Marcos Cardoso da Silva e Claacuteudia Regina

Nolla nos assuntos administrativos

Aos colegas de estudos e de laboratoacuterio que colaboraram na realizaccedilatildeo

deste trabalho e compartilharam momentos descontraiacutedos Adriano dos Santos

Oliveira Alexandre Franccedila Velo Amanda Cristina Ramos Koike Carla Daruich de

Souza Cauecirc de Mello Ferraz Dayane Piffer Luco Diego Vergaccedilas de Sousa

Carvalho Fernando dos Santos Peleias Junior Joatildeo Francisco Trencher Martins

Luana dos Santos Andrade Nelson Mendes Alves Patriacutecia Yoko Inamura

Takinami Rejane Daniela de Campos Renato Cesar Duarte Rodrigo Crespo

Mosca Rodrigo Kirita e Vanessa Honda Ogihara Silva

Agrave PETROBRAS e agrave Faacutebrica Carioca de Catalisadores pelo fornecimento

dos materiais de estudo

Ao CNPq pelo auxiacutelio financeiro

|j)iacutee Z^auberfiotildete ~ r iacute e der Kotildeniacutegiacuten der fjacht

(Mozart)

ESTUDO DO EFEITO DA RADIACcedilAtildeO IONIZANTE NA UTILIZACcedilAtildeO DOS CATALISADORES DESATIVADOS DE CRAQUEAMENTO

FERNANDO MANTOVANI KONDO

RESUMO

Catalisadoreacute uma substacircncia que altera a velocidade de uma reaccedilatildeo Na induacutestria

do petroacuteleo os catalisadores mais utilizados satildeo os catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) cada qual utilizado em uma

determinada etapa do processo Esses catalisadores satildeo usados para facilitar a

quebra das cadeias moleculares que daratildeo origem a uma mistura de

hidrocarbonetos Contudo o catalisador perde progressivamente sua atividade

seja pela mudanccedila de sua estrutura molecular original ou pela sua contaminaccedilatildeo

provenientes de outras moleacuteculas do petroacuteleo A aplicaccedilatildeo das radiaccedilotildees ionizantes

(feixe de eleacutetrons e raios gama) nesses catalisadores desativados foi estudada para

auxiliar na extraccedilatildeo de metais ou terras-raras de alto valoragregado Nos ensaios

realizados com os catalisadores de FCC utilizaram-se das teacutecnicas de irradiaccedilatildeo

por 60Co e porfeixe de eleacutetrons (EB) e tiveram como estudo a extraccedilatildeo do lantacircnio

(La2Uuml3) a regeneraccedilatildeo e utilizaccedilatildeo desses catalisadores Entretanto o uso da

radiaccedilatildeo ionizante natildeo contribuiu nesses processos Jaacute nos catalisadores de HCC

foi utilizado a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons e como estudo a extraccedilatildeo do

molibdecircnio (Mo03) Na temperatura em torno de 750degC nesses catalisadores

irradiados do leito inferior obteve-se um rendimento de extraccedilatildeo duas vezes maior

em comparaccedilatildeo aos natildeo irradiados ou seja de 5765 e 2624 respectivamente

STUDY OF THE EFFECT OF IONIZING RADIATION FOR UTILIZATION OF SPENT CRACKING CATALYSTS

FERNANDO MANTOVANI KONDO

ABSTRACT

Catalyst is a substance that changes the rate of a reaction In the petroleum industry

the commonly catalysts are used for Fluid Catalytic Cracking (FCC) and

Hidrocatalytic Cracking (HCC) which one applied in a specific stage These

catalysts are used to facilitate the molecular chains cracking which will generate a

mixture of hydrocarbons However the catalyst gradually loses its activity either by

changing its original molecular structure or by its contamination from other

petroleum molecules The application of ionizing radiation (electron beam and

gamma rays) over these spent catalysts was studied to contribute with the extraction

of metals or rare-earths of high added-value Tests carried out with FCC catalysts

were used the techniques of 60Co irradiation and electron beam (EB) and had as a

subject the extraction of lanthanum (La203) regeneration and utilization of these

catalysts However the use of ionizing radiation has not contributed in these

processes Meanwhile with HCC catalysts the irradiation used was electron beam

and had as a subject the extraction of molybdenum (Mo03) In temperature around

750degC these irradiated catalysts of the lower region have an extraction yield twice

higher compared to non-irradiated ones in other words 5765 and 2624

respectively

SUMAacuteRIO

Paacutegina

Capiacutetulo 1 14 INTRODUCcedilAtildeO 14 Capiacutetulo2 16

OBJETIVO 16 Capiacutetulo3 17 REVISAtildeO DA LITERATURA 17

31 Acataacutelise e o petroacuteleo 17

32 Craqueamento cataliacutetico 21

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico 22

34 Catalisadores e o meio ambiente 24

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees 25

351 Radiaccedilatildeo ionizante 26

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada 26

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo 27

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel 29

Capiacutetulo4 31 MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS 31

41 Teacutecnicas experimentais 31

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial 32

421 Catalisador de FCC 35

4211 Anaacutelises iniciais 35

4212 Preparo das amostras 39

4213 Resultados e discussatildeo 42

422 Catalisador de HCC 53

4221 Anaacutelises iniciais 53

4222 Preparo das amostras 56

4223 Resultados e discussatildeo 60

Capiacutetulootilde 67 CONCLUSAtildeO 67 Trabalhos futuros 68 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 69

LISTA DE FIGURAS

Paacutegina

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos

comercializaacuteveis 20

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de

Radiation-Thermal Treatment(RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partir

de resiacuteduos soacutelidos de catalisadores 29

FIGURA3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

32

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado

do leito inferior e c) desativado do leito superior 34

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadorde FCC 35

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem e b) desativado 37

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem 38

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado 39

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado

a 20kGy por raios gama 43

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e

virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy

e 150kGy 44

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado

e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100

kGye 150 kGy 44

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio 45

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita 46

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita 46

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC

virgem desativado e contaminado com niacutequel 51

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem

contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy porfeixe de eleacutetrons e

tratado com diclorometano e desativado 52

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadordeHCC 53

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC

virgem e desativados do leito inferior e superior 54

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de

HCC do leito superior 55

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de

temperatura 57

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo

simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP 58

FIGURA22 -Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura 60

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito inferior 64

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito superior 64

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por

RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de

eleacutetronsde 13 MeV 65

FIGURA26 - Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento

do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT 66

LISTA DE TABELAS

Paacutegina

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC 33

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e

desativados do leito inferiore superior 34

TABELA 3-Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC 37

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por

feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico 47

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com

feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy 49

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados

(60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy porfeixe de eleacutetrons 50

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente 61

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de

3036 MGy 62

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos

catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior 63

14

Capiacutetulo 1

INTRODUCcedilAtildeO

Qualquer um que considere cataacutelise heterogecircnea como um aspecto da

ciecircncia de superfiacutecie e estude o comportamento das moleacuteculas em uma superfiacutecie

cataliacutetica natildeo eacute suscetiacutevel de ser atraiacutedo pela ideia de um bombeamento de resiacuteduo

de petroacuteleo ao longo de superfiacutecies cataliacuteticas limpas e cuidadosamente

caracterizadas Catalisadores projetados para dessulfurarfraccedilotildees de destilaccedilatildeo de

petroacuteleo (Co-Moalumina ou Ni-Moalumina) perderatildeo a sua atividade em alguns

dias quando em contato com um resiacuteduo de petroacuteleo nas condiccedilotildees em que

poderiam funcionar bem durante vaacuterios anos em destilaccedilatildeo comercial de

hidroprocessamento (Oelderik 1989)

A cataacutelise foi praticada pela sociedade durante muitos anos sem que

tivesse o conhecimento dela como na fabricaccedilatildeo de vinhos e cervejas Atualmente

os catalisadores satildeo usados para dinamizar a forma com que produzimos materiais

em nosso ambiente sendo que seu impacto eacute substancial Induacutestrias quiacutemicas e

refinarias de petroacuteleo satildeo interconectadas com a induacutestria de catalisadores

(Armor 2011)

A concentraccedilatildeo do enxofre no oacuteleo varia de 02 (Golfo Peacutersico) a 4

(Meacutexico e Venezuela) O enxofre adveacutem de mercaptanas dissulfetos e aacutecido

sulfiacutedrico que lixiviaram para o oacuteleo Oacuteleos com elevada concentraccedilatildeo de enxofre

tecircm maior impacto nas operaccedilotildees da refinaria em funccedilatildeo dos seus efeitos

corrosivos As mercaptanas tecircm limite olfativo de partes por bilhatildeo (ppb) e

representam um seacuterio problema ambiental (Burgess 1997)

15

Por muitos anos utilizou-se aacutecido sulfuacuterico para extrair compostos agrave

base de enxofre gerando lodo aacutecido que exigia tratamento preacutevio agrave disposiccedilatildeo O

aacutecido sulfuacuterico foi substituiacutedo por aacutecido fluoriacutedrico Esses meacutetodos aacutecidos estatildeo

sendo substituiacutedos por teacutecnicas cataliacuteticas usando niacutequel cobalto e catalisadores

agrave base de molibdecircnio em gracircnulos pellets ou poacute dessulfuraccedilatildeo cataliacutetica ou

hidrotratamento (Burgess 1997)

O catalisador de FCC eacute composto basicamente por oacutexido de alumiacutenio

(AI2O3) e oacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) O processo de FCC tem como principal objetivo a

produccedilatildeo de nafta de alta octanagem e Gaacutes Liquefeito do Petroacuteleo (GLP) Jaacute o

catalisador de HCC eacute constituiacutedo de um suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) no

qual se depositam oacutexidos de niacutequel-molibdecircnio (NiO-MoO) O processo de HCC

ocorre na presenccedila do catalisador altas temperaturas e pressotildees e presenccedila de

grandes volumes de hidrogecircnio (Abadie 2002)

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte dos catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos

Oacuteleos crus satildeo misturas coloidais de diversos hidrocarbonetos Variam

de condensados leves altamente volaacuteteis e de baixas massas molares a pesadas

densos e altamente viscosos (oacuteleo pesado e betume) com uma tendecircncia de

elevada massa molar Oacuteleos pesados e crus normalmente possuem mais enxofre

nitrogecircnio e metais e satildeo vendidos com um desconto significativo aos oacuteleos leves

crus por exemplo os oacuteleos West Texas Intermediate (NationalEnergy Technology

Laboratory 2005)

Pesquisas em radiaccedilatildeo aplicadas ao petroacuteleo vem sendo estudadas

pelas maiores companhias petroliacuteferas desde 1950 Amplas variedades de fontes

radioativas a fontes de alta energia estatildeo sendo exploradas tais como emissatildeo de

necircutrons eleacutetrons raios gama partiacuteculas beta e produtos de fissatildeo

16

Capiacutetulo 2

OBJETIVO

O presente trabalho tem como objetivo estudar os efeitos das radiaccedilotildees

ionizantes (raios gama e feixe de eleacutetrons) nos catalisadores desativados de Fluid

Catalytic Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) para se viabilizar a

extraccedilatildeo de elementos quiacutemicos de alto valor agregado No caso dos catalisadores

de FCC tecircm-se como meta a extraccedilatildeo do lantacircnio (La203) a regeneraccedilatildeo e

utilizaccedilatildeo dos catalisadores jaacute para o catalisador de HCC a extraccedilatildeo do molibdecircnio

(M0O3)

17

Capiacutetulo 3

REVISAtildeO DA LITERATURA

31 A cataacutelise e o petroacuteleo

A primeira etapa de destilaccedilatildeo ocorre a pressatildeo atmosfeacuterica seguindo-

se uma seacuterie de estaacutegios com a retirada de aacutegua e dessalinizaccedilatildeo onde o oacuteleo eacute

processado em caldeiras para a vaporizaccedilatildeo parcial Eacute aquecido entre 340 degC a

345 degC antes do fracionamento O oacuteleo aquecido entra na torre de destilaccedilatildeo em

duas fraccedilotildees o vapor comeccedila a subir enquanto o petroacuteleo bruto reduzido natildeo

vaporizado eacute retirado pelo fundo da torre para o processamento de uma unidade

de destilaccedilatildeo a vaacutecuo O vapor resfria-se agrave medida que ascende e as fracccedilotildees de

elevado ponto de ebuliccedilatildeo se condensam nos pratos mais baixos Esse vapor

conteacutem alta porcentagem de hidrocarbonetos recuperaacuteveis com liacutequido

O gaacutes (gasoacuteleo) proveniente da destilaccedilatildeo simples e a vaacutecuo pode ser

processado no craqueamento cataliacutetico para produzir olefinas diolefinas

hidrocarbonetos aromaacuteticos e nafteno O oacuteleo pesado e o gasoacuteleo vatildeo para o

craqueador cataliacutetico entre 470 degC a 550 degC e de 689 kPa a 2067 kPa (10 Psi a

30 Psi) e por meio da interaccedilatildeo com os catalisadores (zeoacutelitas alumina-silicatos

argila em pellets ou poacute) 50 a 80 eacute craqueado em gasolina e em oacuteleo

combustiacutevel leve e pesado

Uma caracteriacutestica da operaccedilatildeo eacute a formaccedilatildeo de elevada porcentagem

de compostos aromaacuteticos A superfiacutecie do catalisador fica recoberta de depoacutesitos

de carbono leve e deve ser regenerada mediante aquecimento entre 540 degC a

650 degC em contato com o ar

18

Os destilados e o querosene cru satildeo tratados na planta de hidrogenaccedilatildeo

para conversatildeo destas matrizes em produtos de ponto de ebuliccedilatildeo mais baixos No

primeiro estaacutegio da operaccedilatildeo a 300 degC e pressatildeo de 206843 kPa (3000 Psi)

enxofre e nitrogecircnio satildeo removidos O craqueamento ocorre no segundo estaacutegio

no berccedilo cataliacutetico de cobalto-molibdecircnio ou cobalto-niacutequel em temperatura de

315 degC e pressatildeo de 103421 kPa (1500 Psi) Produtos apresentando larga faixa

de ebuliccedilatildeo satildeo formados e podem ser fracionados em produtos uacuteteis querosene

oacuteleo diesel e oacuteleo combustiacutevel leve

A nafta pesada contendo naftenos e parafinas eacute processada por meio

de unidades de reforma cataliacutetica que convertem o material a hidrocarbonetos

aromaacuteticos Esse processo eacute conduzido em temperatura elevada utilizando-se

como catalisador a platina o palaacutedio ou o niacutequel-cobalto O produto eacute utilizado

diretamente na refinaria para melhorar a octanagem da gasolina ou vendido para

petroquiacutemicas (Burgess 1997)

Em teoria as operaccedilotildees unitaacuterias da refinaccedilatildeo do oacuteleo parecem simples

na pratica satildeo bastante complicadas Uma refinaria consiste em uma ou mais

unidades aleacutem da unidade de destilaccedilatildeo que compreendem forno calefator de

oacuteleo torre de fracionamento retificadores a vapor equipamento de troca teacutermica

resfriadores e condensadores tambores de acumulo na unidade agitadores

descontiacutenuos ou unidade a tanquefechado de operaccedilatildeo continua (trata os produtos

e remove compostos nocivos de enxofre e atribui aos produtos uma cor aceitaacutevel)

filtros tanques de homogeneizaccedilatildeo e mistura da carga sistema de dutos para

recepccedilatildeo do oacuteleo cru bombas para transferecircncia dos oacuteleos e para carga e

embarque dos produtos tanques de estocagem do suprimento de oacuteleo e dos

produtos acabados sistema de recuperaccedilatildeo de vapor e diversos auxiliares

Deve-se incluir tambeacutem uma usina para geraccedilatildeo de vapor e

possivelmente de luz e eletricidade Na operaccedilatildeo dessa grande entidade os

balanccedilos de calor de energia e de massa satildeo da maior importacircncia para se

manterem riacutegidos controles de todas as etapas de processamento do oacuteleo

19

Na FIG 1 eacute mostrada uma representaccedilatildeo esquemaacutetica que exemplifica

um sistema baacutesico de refino com a separaccedilatildeo do oacuteleo cru nas diversas fraccedilotildees e

o tratamento subsequumlente de cada fraccedilatildeo os vaacuterios produtos satildeo removidos da

torre de oacuteleo cru conforme diagrama (Shreve 1977)

Gagraves

_ L xx fT ^

1 Oacuteleo cru

DESTILACcedilAtildeO DO OacuteLEO

CRU

As diversas operaccedilotildees e os vaacuterios produtos dependem da espeacuteice de oacuteleo que estaacute sendo destilada

Gasolina destilada

Nafta

REFORMA CATALITICA

Gasolina destilada

Gasolina de alta octanagem

S

uumlas liqueteito de petrograveleo

RECUPERACAtildeO DE GAacuteS Eacute

ESTABILIZACAtildeO DE GASOLINA

Isobutano

Butano

m ogt m ltigt

raquo c t l

Querosene ou oacuteleo combustiacutevel leve uuml

Gasoacuteleo

Gasoacuteleo i

Residuo

Residuo asfaacuteltico

Resiacuteduo de

lubrificante

pesaao

DESTILACcedilAtildeO ATMOSFEacuteRICA OU A VAacuteCUO

DESTILACAO A VAacuteCUO

DESTILACcedilAtildeO A VAacuteCULO

O l

r^ r CRAQUEAMENTO CATALIacuteTICO

1

-

Oleo 0U (

de fornalha )leo Diesel

Oleos combustiveis pesados

Oleo combustivel pesado

Asf 1105

diams Gasoacuteleo pesado

Oleo lubrificante destilado

Residuo de oacuteleo lubrificante

REFINA-CcedilAgraveOA SOL-

VFNTF

REFINA-CcedilAtildeOA SOL-

VENTE

ISOMERIZACcedilAtildeO

POLIME-RIZACcedilAtildeO

ALQUI-LACcedilAtildeO

Gasolina estabilizada

o Dusobuteno 8

(S s

HIDRO-GENACcedilIacuteO

o

d) 7 1 5 E -lt2 S

o

5

lt

ts S

HOMOGE

8

rmdash

NEIZACcedilAO Querosene

Oacuteleo de fornalha leve

Oacuteleo de fornalha

Oacuteleo Diesel

Oacuteleos combustiacuteveis pesados

Asfalto

1 amp iacute 8 o

DESPARA-FINACcedilAtildeO DESCO-

RAMENTO

Oleos lubrifican Oacuteleos

tes

Parafina O 1 1

HOMOGE-NEIZACAO

E EMBA-LAGEM

USINA DE REFINA-CAtildeODE

PAacuteRAFINA

Asfaltos

raquo-

mdashyen

mdash

mdash gt gt

Parafmas refinadas

Cozinha

Aeronaves

Automoacuteveis

Sitios e fazendas

Aquecimento domecircstico

Estradas de ferro

Faacutebricas

Embarcaccedilotildees

Estradas

Papel parafinado

Fonte Shreve 1977p593

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos comercializaacuteveis

21

32 Craqueamento cataliacutetico

O craqueamento cataliacutetico eacute um processo de quebra molecular Sua

carga eacute uma mistura de gasoacuteleo de vaacutecuo e oacuteleo desasfaltado que submetida a

condiccedilotildees bastante severas em presenccedila do catalisador eacute transformada em vaacuterias

outras fraccedilotildees mais leves produzindo gaacutes combustiacutevel gaacutes liquefeito nafta

gasoacuteleo leve (oacuteleo diesel de craqueamento) e gasoacuteleo pesado de craqueamento

(oacuteleo combustiacutevel) As reaccedilotildees produzem tambeacutem coque que se deposita no

catalisador e eacute queimado quando na regeneraccedilatildeo desse uacuteltimo gerando gaacutes de

combustatildeo de alto conteuacutedo energeacutetico usado na geraccedilatildeo de vapor de aacutegua de

alta pressatildeo

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial tomando

um notaacutevel impulso com este conflito em face agrave grande necessidade dos aliados

em relaccedilatildeo a suprimentos de gasolina e material petroquiacutemico para suas tropas

Com o fim da guerra o craqueamento cataliacutetico firmou-se principalmente em

funccedilatildeo da produccedilatildeo de nafta em maior quantidade de melhor qualidade e com

custos de produccedilatildeo bem inferiores aos outros processos existentes na eacutepoca

Eacute um processo destinado por excelecircncia agrave produccedilatildeo de nafta de alta

octanagem o derivado que aparece em maior quantidade de 50 a 65 do

volume em relaccedilatildeo agrave carga processada O segundo derivado em maior proporccedilatildeo

eacute o gaacutes liquefeito de petroacuteleo (GLP) de 25 a 40 do volume em relaccedilatildeo agrave carga

Em menores rendimentos temos tambeacutem o oacuteleo diesel de craqueamento Light

Cycle 07 (LCO) o oacuteleo combustiacutevel de craqueamento (oacuteleo decantado ou

clarificado) o gaacutes combustiacutevel e o gaacutes sulfiacutedrico (H2S) O coque gerado eacute

depositado no catalisadore queimado na regeneraccedilatildeo

A grande necessidade nacional de produccedilatildeo de GLP e principalmente

de gasolina ateacute o final dos anos setenta fez com que a PETROBRAS instalasse

este processo em todas as suas refinarias O craqueamento cataliacutetico tambeacutem

conhecido como Fluid Catalytic Cracking (FCC) eacute um processo de grande

versatilidade e de elevada rentabilidade no quadro atual do refino embora seja

tambeacutem uma unidade de alto investimento para sua implantaccedilatildeo (Abadie 2002)

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 4: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

AGRADECIMENTOS

Ao meu orientador Dr Wilson Aparecido Parejo Calvo pela sua

paciecircncia orientaccedilatildeo e perspicaacutecia Colaborando sempre com argumentos

positivos impulsionando-me em todas as discussotildees com energia revigorante

Ao Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees que me acolheu e cedeu-me

suas instalaccedilotildees representado pela Dra Margarida Mizue Hamada gerente do

CTR gerentes adjuntos Dra Mocircnica Beatriz Mathor e Dr Wilson Aparecido Parejo

Calvo

Ao Dr Nelson Batista de Lima pelas valorosas anaacutelises pela companhia

agradaacutevel e alegre e pelo conhecimento transmitido durante as interpretaccedilotildees dos

resultados

A Dra Ivone Mulako Sato pela colaboraccedilatildeo nas anaacutelises por sua

presteza educaccedilatildeo e conselhos

A minha famiacutelia presente em todos os momentos compartilhando

experiecircncias felicidades e sempre me incentivando a prosseguir com

determinaccedilatildeo

Aos engenheiros Carlos Gaia da Silveira e Elizabeth Sebastiana Ribeiro

Somessari pela atenccedilatildeo perseveranccedila e colaboraccedilatildeo na realizaccedilatildeo do

processamento por radiaccedilatildeo das amostras

Aos prestativos secretaacuterios Marcos Cardoso da Silva e Claacuteudia Regina

Nolla nos assuntos administrativos

Aos colegas de estudos e de laboratoacuterio que colaboraram na realizaccedilatildeo

deste trabalho e compartilharam momentos descontraiacutedos Adriano dos Santos

Oliveira Alexandre Franccedila Velo Amanda Cristina Ramos Koike Carla Daruich de

Souza Cauecirc de Mello Ferraz Dayane Piffer Luco Diego Vergaccedilas de Sousa

Carvalho Fernando dos Santos Peleias Junior Joatildeo Francisco Trencher Martins

Luana dos Santos Andrade Nelson Mendes Alves Patriacutecia Yoko Inamura

Takinami Rejane Daniela de Campos Renato Cesar Duarte Rodrigo Crespo

Mosca Rodrigo Kirita e Vanessa Honda Ogihara Silva

Agrave PETROBRAS e agrave Faacutebrica Carioca de Catalisadores pelo fornecimento

dos materiais de estudo

Ao CNPq pelo auxiacutelio financeiro

|j)iacutee Z^auberfiotildete ~ r iacute e der Kotildeniacutegiacuten der fjacht

(Mozart)

ESTUDO DO EFEITO DA RADIACcedilAtildeO IONIZANTE NA UTILIZACcedilAtildeO DOS CATALISADORES DESATIVADOS DE CRAQUEAMENTO

FERNANDO MANTOVANI KONDO

RESUMO

Catalisadoreacute uma substacircncia que altera a velocidade de uma reaccedilatildeo Na induacutestria

do petroacuteleo os catalisadores mais utilizados satildeo os catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) cada qual utilizado em uma

determinada etapa do processo Esses catalisadores satildeo usados para facilitar a

quebra das cadeias moleculares que daratildeo origem a uma mistura de

hidrocarbonetos Contudo o catalisador perde progressivamente sua atividade

seja pela mudanccedila de sua estrutura molecular original ou pela sua contaminaccedilatildeo

provenientes de outras moleacuteculas do petroacuteleo A aplicaccedilatildeo das radiaccedilotildees ionizantes

(feixe de eleacutetrons e raios gama) nesses catalisadores desativados foi estudada para

auxiliar na extraccedilatildeo de metais ou terras-raras de alto valoragregado Nos ensaios

realizados com os catalisadores de FCC utilizaram-se das teacutecnicas de irradiaccedilatildeo

por 60Co e porfeixe de eleacutetrons (EB) e tiveram como estudo a extraccedilatildeo do lantacircnio

(La2Uuml3) a regeneraccedilatildeo e utilizaccedilatildeo desses catalisadores Entretanto o uso da

radiaccedilatildeo ionizante natildeo contribuiu nesses processos Jaacute nos catalisadores de HCC

foi utilizado a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons e como estudo a extraccedilatildeo do

molibdecircnio (Mo03) Na temperatura em torno de 750degC nesses catalisadores

irradiados do leito inferior obteve-se um rendimento de extraccedilatildeo duas vezes maior

em comparaccedilatildeo aos natildeo irradiados ou seja de 5765 e 2624 respectivamente

STUDY OF THE EFFECT OF IONIZING RADIATION FOR UTILIZATION OF SPENT CRACKING CATALYSTS

FERNANDO MANTOVANI KONDO

ABSTRACT

Catalyst is a substance that changes the rate of a reaction In the petroleum industry

the commonly catalysts are used for Fluid Catalytic Cracking (FCC) and

Hidrocatalytic Cracking (HCC) which one applied in a specific stage These

catalysts are used to facilitate the molecular chains cracking which will generate a

mixture of hydrocarbons However the catalyst gradually loses its activity either by

changing its original molecular structure or by its contamination from other

petroleum molecules The application of ionizing radiation (electron beam and

gamma rays) over these spent catalysts was studied to contribute with the extraction

of metals or rare-earths of high added-value Tests carried out with FCC catalysts

were used the techniques of 60Co irradiation and electron beam (EB) and had as a

subject the extraction of lanthanum (La203) regeneration and utilization of these

catalysts However the use of ionizing radiation has not contributed in these

processes Meanwhile with HCC catalysts the irradiation used was electron beam

and had as a subject the extraction of molybdenum (Mo03) In temperature around

750degC these irradiated catalysts of the lower region have an extraction yield twice

higher compared to non-irradiated ones in other words 5765 and 2624

respectively

SUMAacuteRIO

Paacutegina

Capiacutetulo 1 14 INTRODUCcedilAtildeO 14 Capiacutetulo2 16

OBJETIVO 16 Capiacutetulo3 17 REVISAtildeO DA LITERATURA 17

31 Acataacutelise e o petroacuteleo 17

32 Craqueamento cataliacutetico 21

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico 22

34 Catalisadores e o meio ambiente 24

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees 25

351 Radiaccedilatildeo ionizante 26

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada 26

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo 27

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel 29

Capiacutetulo4 31 MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS 31

41 Teacutecnicas experimentais 31

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial 32

421 Catalisador de FCC 35

4211 Anaacutelises iniciais 35

4212 Preparo das amostras 39

4213 Resultados e discussatildeo 42

422 Catalisador de HCC 53

4221 Anaacutelises iniciais 53

4222 Preparo das amostras 56

4223 Resultados e discussatildeo 60

Capiacutetulootilde 67 CONCLUSAtildeO 67 Trabalhos futuros 68 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 69

LISTA DE FIGURAS

Paacutegina

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos

comercializaacuteveis 20

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de

Radiation-Thermal Treatment(RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partir

de resiacuteduos soacutelidos de catalisadores 29

FIGURA3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

32

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado

do leito inferior e c) desativado do leito superior 34

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadorde FCC 35

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem e b) desativado 37

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem 38

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado 39

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado

a 20kGy por raios gama 43

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e

virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy

e 150kGy 44

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado

e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100

kGye 150 kGy 44

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio 45

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita 46

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita 46

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC

virgem desativado e contaminado com niacutequel 51

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem

contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy porfeixe de eleacutetrons e

tratado com diclorometano e desativado 52

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadordeHCC 53

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC

virgem e desativados do leito inferior e superior 54

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de

HCC do leito superior 55

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de

temperatura 57

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo

simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP 58

FIGURA22 -Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura 60

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito inferior 64

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito superior 64

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por

RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de

eleacutetronsde 13 MeV 65

FIGURA26 - Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento

do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT 66

LISTA DE TABELAS

Paacutegina

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC 33

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e

desativados do leito inferiore superior 34

TABELA 3-Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC 37

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por

feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico 47

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com

feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy 49

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados

(60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy porfeixe de eleacutetrons 50

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente 61

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de

3036 MGy 62

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos

catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior 63

14

Capiacutetulo 1

INTRODUCcedilAtildeO

Qualquer um que considere cataacutelise heterogecircnea como um aspecto da

ciecircncia de superfiacutecie e estude o comportamento das moleacuteculas em uma superfiacutecie

cataliacutetica natildeo eacute suscetiacutevel de ser atraiacutedo pela ideia de um bombeamento de resiacuteduo

de petroacuteleo ao longo de superfiacutecies cataliacuteticas limpas e cuidadosamente

caracterizadas Catalisadores projetados para dessulfurarfraccedilotildees de destilaccedilatildeo de

petroacuteleo (Co-Moalumina ou Ni-Moalumina) perderatildeo a sua atividade em alguns

dias quando em contato com um resiacuteduo de petroacuteleo nas condiccedilotildees em que

poderiam funcionar bem durante vaacuterios anos em destilaccedilatildeo comercial de

hidroprocessamento (Oelderik 1989)

A cataacutelise foi praticada pela sociedade durante muitos anos sem que

tivesse o conhecimento dela como na fabricaccedilatildeo de vinhos e cervejas Atualmente

os catalisadores satildeo usados para dinamizar a forma com que produzimos materiais

em nosso ambiente sendo que seu impacto eacute substancial Induacutestrias quiacutemicas e

refinarias de petroacuteleo satildeo interconectadas com a induacutestria de catalisadores

(Armor 2011)

A concentraccedilatildeo do enxofre no oacuteleo varia de 02 (Golfo Peacutersico) a 4

(Meacutexico e Venezuela) O enxofre adveacutem de mercaptanas dissulfetos e aacutecido

sulfiacutedrico que lixiviaram para o oacuteleo Oacuteleos com elevada concentraccedilatildeo de enxofre

tecircm maior impacto nas operaccedilotildees da refinaria em funccedilatildeo dos seus efeitos

corrosivos As mercaptanas tecircm limite olfativo de partes por bilhatildeo (ppb) e

representam um seacuterio problema ambiental (Burgess 1997)

15

Por muitos anos utilizou-se aacutecido sulfuacuterico para extrair compostos agrave

base de enxofre gerando lodo aacutecido que exigia tratamento preacutevio agrave disposiccedilatildeo O

aacutecido sulfuacuterico foi substituiacutedo por aacutecido fluoriacutedrico Esses meacutetodos aacutecidos estatildeo

sendo substituiacutedos por teacutecnicas cataliacuteticas usando niacutequel cobalto e catalisadores

agrave base de molibdecircnio em gracircnulos pellets ou poacute dessulfuraccedilatildeo cataliacutetica ou

hidrotratamento (Burgess 1997)

O catalisador de FCC eacute composto basicamente por oacutexido de alumiacutenio

(AI2O3) e oacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) O processo de FCC tem como principal objetivo a

produccedilatildeo de nafta de alta octanagem e Gaacutes Liquefeito do Petroacuteleo (GLP) Jaacute o

catalisador de HCC eacute constituiacutedo de um suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) no

qual se depositam oacutexidos de niacutequel-molibdecircnio (NiO-MoO) O processo de HCC

ocorre na presenccedila do catalisador altas temperaturas e pressotildees e presenccedila de

grandes volumes de hidrogecircnio (Abadie 2002)

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte dos catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos

Oacuteleos crus satildeo misturas coloidais de diversos hidrocarbonetos Variam

de condensados leves altamente volaacuteteis e de baixas massas molares a pesadas

densos e altamente viscosos (oacuteleo pesado e betume) com uma tendecircncia de

elevada massa molar Oacuteleos pesados e crus normalmente possuem mais enxofre

nitrogecircnio e metais e satildeo vendidos com um desconto significativo aos oacuteleos leves

crus por exemplo os oacuteleos West Texas Intermediate (NationalEnergy Technology

Laboratory 2005)

Pesquisas em radiaccedilatildeo aplicadas ao petroacuteleo vem sendo estudadas

pelas maiores companhias petroliacuteferas desde 1950 Amplas variedades de fontes

radioativas a fontes de alta energia estatildeo sendo exploradas tais como emissatildeo de

necircutrons eleacutetrons raios gama partiacuteculas beta e produtos de fissatildeo

16

Capiacutetulo 2

OBJETIVO

O presente trabalho tem como objetivo estudar os efeitos das radiaccedilotildees

ionizantes (raios gama e feixe de eleacutetrons) nos catalisadores desativados de Fluid

Catalytic Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) para se viabilizar a

extraccedilatildeo de elementos quiacutemicos de alto valor agregado No caso dos catalisadores

de FCC tecircm-se como meta a extraccedilatildeo do lantacircnio (La203) a regeneraccedilatildeo e

utilizaccedilatildeo dos catalisadores jaacute para o catalisador de HCC a extraccedilatildeo do molibdecircnio

(M0O3)

17

Capiacutetulo 3

REVISAtildeO DA LITERATURA

31 A cataacutelise e o petroacuteleo

A primeira etapa de destilaccedilatildeo ocorre a pressatildeo atmosfeacuterica seguindo-

se uma seacuterie de estaacutegios com a retirada de aacutegua e dessalinizaccedilatildeo onde o oacuteleo eacute

processado em caldeiras para a vaporizaccedilatildeo parcial Eacute aquecido entre 340 degC a

345 degC antes do fracionamento O oacuteleo aquecido entra na torre de destilaccedilatildeo em

duas fraccedilotildees o vapor comeccedila a subir enquanto o petroacuteleo bruto reduzido natildeo

vaporizado eacute retirado pelo fundo da torre para o processamento de uma unidade

de destilaccedilatildeo a vaacutecuo O vapor resfria-se agrave medida que ascende e as fracccedilotildees de

elevado ponto de ebuliccedilatildeo se condensam nos pratos mais baixos Esse vapor

conteacutem alta porcentagem de hidrocarbonetos recuperaacuteveis com liacutequido

O gaacutes (gasoacuteleo) proveniente da destilaccedilatildeo simples e a vaacutecuo pode ser

processado no craqueamento cataliacutetico para produzir olefinas diolefinas

hidrocarbonetos aromaacuteticos e nafteno O oacuteleo pesado e o gasoacuteleo vatildeo para o

craqueador cataliacutetico entre 470 degC a 550 degC e de 689 kPa a 2067 kPa (10 Psi a

30 Psi) e por meio da interaccedilatildeo com os catalisadores (zeoacutelitas alumina-silicatos

argila em pellets ou poacute) 50 a 80 eacute craqueado em gasolina e em oacuteleo

combustiacutevel leve e pesado

Uma caracteriacutestica da operaccedilatildeo eacute a formaccedilatildeo de elevada porcentagem

de compostos aromaacuteticos A superfiacutecie do catalisador fica recoberta de depoacutesitos

de carbono leve e deve ser regenerada mediante aquecimento entre 540 degC a

650 degC em contato com o ar

18

Os destilados e o querosene cru satildeo tratados na planta de hidrogenaccedilatildeo

para conversatildeo destas matrizes em produtos de ponto de ebuliccedilatildeo mais baixos No

primeiro estaacutegio da operaccedilatildeo a 300 degC e pressatildeo de 206843 kPa (3000 Psi)

enxofre e nitrogecircnio satildeo removidos O craqueamento ocorre no segundo estaacutegio

no berccedilo cataliacutetico de cobalto-molibdecircnio ou cobalto-niacutequel em temperatura de

315 degC e pressatildeo de 103421 kPa (1500 Psi) Produtos apresentando larga faixa

de ebuliccedilatildeo satildeo formados e podem ser fracionados em produtos uacuteteis querosene

oacuteleo diesel e oacuteleo combustiacutevel leve

A nafta pesada contendo naftenos e parafinas eacute processada por meio

de unidades de reforma cataliacutetica que convertem o material a hidrocarbonetos

aromaacuteticos Esse processo eacute conduzido em temperatura elevada utilizando-se

como catalisador a platina o palaacutedio ou o niacutequel-cobalto O produto eacute utilizado

diretamente na refinaria para melhorar a octanagem da gasolina ou vendido para

petroquiacutemicas (Burgess 1997)

Em teoria as operaccedilotildees unitaacuterias da refinaccedilatildeo do oacuteleo parecem simples

na pratica satildeo bastante complicadas Uma refinaria consiste em uma ou mais

unidades aleacutem da unidade de destilaccedilatildeo que compreendem forno calefator de

oacuteleo torre de fracionamento retificadores a vapor equipamento de troca teacutermica

resfriadores e condensadores tambores de acumulo na unidade agitadores

descontiacutenuos ou unidade a tanquefechado de operaccedilatildeo continua (trata os produtos

e remove compostos nocivos de enxofre e atribui aos produtos uma cor aceitaacutevel)

filtros tanques de homogeneizaccedilatildeo e mistura da carga sistema de dutos para

recepccedilatildeo do oacuteleo cru bombas para transferecircncia dos oacuteleos e para carga e

embarque dos produtos tanques de estocagem do suprimento de oacuteleo e dos

produtos acabados sistema de recuperaccedilatildeo de vapor e diversos auxiliares

Deve-se incluir tambeacutem uma usina para geraccedilatildeo de vapor e

possivelmente de luz e eletricidade Na operaccedilatildeo dessa grande entidade os

balanccedilos de calor de energia e de massa satildeo da maior importacircncia para se

manterem riacutegidos controles de todas as etapas de processamento do oacuteleo

19

Na FIG 1 eacute mostrada uma representaccedilatildeo esquemaacutetica que exemplifica

um sistema baacutesico de refino com a separaccedilatildeo do oacuteleo cru nas diversas fraccedilotildees e

o tratamento subsequumlente de cada fraccedilatildeo os vaacuterios produtos satildeo removidos da

torre de oacuteleo cru conforme diagrama (Shreve 1977)

Gagraves

_ L xx fT ^

1 Oacuteleo cru

DESTILACcedilAtildeO DO OacuteLEO

CRU

As diversas operaccedilotildees e os vaacuterios produtos dependem da espeacuteice de oacuteleo que estaacute sendo destilada

Gasolina destilada

Nafta

REFORMA CATALITICA

Gasolina destilada

Gasolina de alta octanagem

S

uumlas liqueteito de petrograveleo

RECUPERACAtildeO DE GAacuteS Eacute

ESTABILIZACAtildeO DE GASOLINA

Isobutano

Butano

m ogt m ltigt

raquo c t l

Querosene ou oacuteleo combustiacutevel leve uuml

Gasoacuteleo

Gasoacuteleo i

Residuo

Residuo asfaacuteltico

Resiacuteduo de

lubrificante

pesaao

DESTILACcedilAtildeO ATMOSFEacuteRICA OU A VAacuteCUO

DESTILACAO A VAacuteCUO

DESTILACcedilAtildeO A VAacuteCULO

O l

r^ r CRAQUEAMENTO CATALIacuteTICO

1

-

Oleo 0U (

de fornalha )leo Diesel

Oleos combustiveis pesados

Oleo combustivel pesado

Asf 1105

diams Gasoacuteleo pesado

Oleo lubrificante destilado

Residuo de oacuteleo lubrificante

REFINA-CcedilAgraveOA SOL-

VFNTF

REFINA-CcedilAtildeOA SOL-

VENTE

ISOMERIZACcedilAtildeO

POLIME-RIZACcedilAtildeO

ALQUI-LACcedilAtildeO

Gasolina estabilizada

o Dusobuteno 8

(S s

HIDRO-GENACcedilIacuteO

o

d) 7 1 5 E -lt2 S

o

5

lt

ts S

HOMOGE

8

rmdash

NEIZACcedilAO Querosene

Oacuteleo de fornalha leve

Oacuteleo de fornalha

Oacuteleo Diesel

Oacuteleos combustiacuteveis pesados

Asfalto

1 amp iacute 8 o

DESPARA-FINACcedilAtildeO DESCO-

RAMENTO

Oleos lubrifican Oacuteleos

tes

Parafina O 1 1

HOMOGE-NEIZACAO

E EMBA-LAGEM

USINA DE REFINA-CAtildeODE

PAacuteRAFINA

Asfaltos

raquo-

mdashyen

mdash

mdash gt gt

Parafmas refinadas

Cozinha

Aeronaves

Automoacuteveis

Sitios e fazendas

Aquecimento domecircstico

Estradas de ferro

Faacutebricas

Embarcaccedilotildees

Estradas

Papel parafinado

Fonte Shreve 1977p593

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos comercializaacuteveis

21

32 Craqueamento cataliacutetico

O craqueamento cataliacutetico eacute um processo de quebra molecular Sua

carga eacute uma mistura de gasoacuteleo de vaacutecuo e oacuteleo desasfaltado que submetida a

condiccedilotildees bastante severas em presenccedila do catalisador eacute transformada em vaacuterias

outras fraccedilotildees mais leves produzindo gaacutes combustiacutevel gaacutes liquefeito nafta

gasoacuteleo leve (oacuteleo diesel de craqueamento) e gasoacuteleo pesado de craqueamento

(oacuteleo combustiacutevel) As reaccedilotildees produzem tambeacutem coque que se deposita no

catalisador e eacute queimado quando na regeneraccedilatildeo desse uacuteltimo gerando gaacutes de

combustatildeo de alto conteuacutedo energeacutetico usado na geraccedilatildeo de vapor de aacutegua de

alta pressatildeo

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial tomando

um notaacutevel impulso com este conflito em face agrave grande necessidade dos aliados

em relaccedilatildeo a suprimentos de gasolina e material petroquiacutemico para suas tropas

Com o fim da guerra o craqueamento cataliacutetico firmou-se principalmente em

funccedilatildeo da produccedilatildeo de nafta em maior quantidade de melhor qualidade e com

custos de produccedilatildeo bem inferiores aos outros processos existentes na eacutepoca

Eacute um processo destinado por excelecircncia agrave produccedilatildeo de nafta de alta

octanagem o derivado que aparece em maior quantidade de 50 a 65 do

volume em relaccedilatildeo agrave carga processada O segundo derivado em maior proporccedilatildeo

eacute o gaacutes liquefeito de petroacuteleo (GLP) de 25 a 40 do volume em relaccedilatildeo agrave carga

Em menores rendimentos temos tambeacutem o oacuteleo diesel de craqueamento Light

Cycle 07 (LCO) o oacuteleo combustiacutevel de craqueamento (oacuteleo decantado ou

clarificado) o gaacutes combustiacutevel e o gaacutes sulfiacutedrico (H2S) O coque gerado eacute

depositado no catalisadore queimado na regeneraccedilatildeo

A grande necessidade nacional de produccedilatildeo de GLP e principalmente

de gasolina ateacute o final dos anos setenta fez com que a PETROBRAS instalasse

este processo em todas as suas refinarias O craqueamento cataliacutetico tambeacutem

conhecido como Fluid Catalytic Cracking (FCC) eacute um processo de grande

versatilidade e de elevada rentabilidade no quadro atual do refino embora seja

tambeacutem uma unidade de alto investimento para sua implantaccedilatildeo (Abadie 2002)

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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28 LUNIN VV MIROSHNICHENKO II PANTELEEV DM SOLOVETSKII YUI Extraction and Purification of Molybdenum from Deactivated Hydrodesulfurization Catalysts by Radiation-Thermal Treatment Kinetic and Catalysis Vol34 1993

29 MINISTEacuteRIO DO MEIO AMBIENTE Resoluccedilatildeo Ndeg 315 de 29 de Outubro de 2002 Conselho Nacional Do Meio Ambiente - CONAMA

30 MITCHELL B R Metal Contamination of Cracking Catalysts Ind Eng Chem Res Dev (1980) 209-213

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31 MSDS - Sigma-Aldrich Disponiacutevel em lthttpwwwsigmaaldrichcomMSDSMSDSDisplayMSDSPagedo7country =BRamplanguage=ptampproductNumber=319767ampbrand=SIALampPageToGoToU RL=http3A2F2Fwwwsigmaaldrichcom2Fcatalog2Fproduct2Fsi al2F3197673Flang3Dptgt Acessado em 10 de Junho de 2014

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33 NATIONAL ENERGY TECHNOLOGY LABORATORY A Literature Review on Cold Cracking of Petroleum Crude 07 Energy Policy Act of 2005Section 14062005

34 National Institute of Standards and Technology (NIST) Chemistry WebBook Disponiacutevel em lthttpwebbooknistgovcg icbookcgiID=B6004665ampMask=80IR-Specgt Acessado em 12 de Junho de 2014

35 OELDERIK JM SIE ST BODE D Progress in the Catalysis of the Upgrading of Petroleum Residue Applied Catalysis Vol47 1989

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42 WILSON J W Fluid Catalytic Cracking Technology and Operation Tulsa Pennwell Books 1997 p 323

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44 WOJNAacuteROVITS I Radiaton Chemistry Handbook of Nuclear Chemistry -Chemical applications of nuclear reactions and radiations 2003

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47 YU ZS CHEN MB Rare Earth Elements and Their Applications Metallurgical Industry Press Beijing (PR China) 1995

48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 5: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

Carvalho Fernando dos Santos Peleias Junior Joatildeo Francisco Trencher Martins

Luana dos Santos Andrade Nelson Mendes Alves Patriacutecia Yoko Inamura

Takinami Rejane Daniela de Campos Renato Cesar Duarte Rodrigo Crespo

Mosca Rodrigo Kirita e Vanessa Honda Ogihara Silva

Agrave PETROBRAS e agrave Faacutebrica Carioca de Catalisadores pelo fornecimento

dos materiais de estudo

Ao CNPq pelo auxiacutelio financeiro

|j)iacutee Z^auberfiotildete ~ r iacute e der Kotildeniacutegiacuten der fjacht

(Mozart)

ESTUDO DO EFEITO DA RADIACcedilAtildeO IONIZANTE NA UTILIZACcedilAtildeO DOS CATALISADORES DESATIVADOS DE CRAQUEAMENTO

FERNANDO MANTOVANI KONDO

RESUMO

Catalisadoreacute uma substacircncia que altera a velocidade de uma reaccedilatildeo Na induacutestria

do petroacuteleo os catalisadores mais utilizados satildeo os catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) cada qual utilizado em uma

determinada etapa do processo Esses catalisadores satildeo usados para facilitar a

quebra das cadeias moleculares que daratildeo origem a uma mistura de

hidrocarbonetos Contudo o catalisador perde progressivamente sua atividade

seja pela mudanccedila de sua estrutura molecular original ou pela sua contaminaccedilatildeo

provenientes de outras moleacuteculas do petroacuteleo A aplicaccedilatildeo das radiaccedilotildees ionizantes

(feixe de eleacutetrons e raios gama) nesses catalisadores desativados foi estudada para

auxiliar na extraccedilatildeo de metais ou terras-raras de alto valoragregado Nos ensaios

realizados com os catalisadores de FCC utilizaram-se das teacutecnicas de irradiaccedilatildeo

por 60Co e porfeixe de eleacutetrons (EB) e tiveram como estudo a extraccedilatildeo do lantacircnio

(La2Uuml3) a regeneraccedilatildeo e utilizaccedilatildeo desses catalisadores Entretanto o uso da

radiaccedilatildeo ionizante natildeo contribuiu nesses processos Jaacute nos catalisadores de HCC

foi utilizado a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons e como estudo a extraccedilatildeo do

molibdecircnio (Mo03) Na temperatura em torno de 750degC nesses catalisadores

irradiados do leito inferior obteve-se um rendimento de extraccedilatildeo duas vezes maior

em comparaccedilatildeo aos natildeo irradiados ou seja de 5765 e 2624 respectivamente

STUDY OF THE EFFECT OF IONIZING RADIATION FOR UTILIZATION OF SPENT CRACKING CATALYSTS

FERNANDO MANTOVANI KONDO

ABSTRACT

Catalyst is a substance that changes the rate of a reaction In the petroleum industry

the commonly catalysts are used for Fluid Catalytic Cracking (FCC) and

Hidrocatalytic Cracking (HCC) which one applied in a specific stage These

catalysts are used to facilitate the molecular chains cracking which will generate a

mixture of hydrocarbons However the catalyst gradually loses its activity either by

changing its original molecular structure or by its contamination from other

petroleum molecules The application of ionizing radiation (electron beam and

gamma rays) over these spent catalysts was studied to contribute with the extraction

of metals or rare-earths of high added-value Tests carried out with FCC catalysts

were used the techniques of 60Co irradiation and electron beam (EB) and had as a

subject the extraction of lanthanum (La203) regeneration and utilization of these

catalysts However the use of ionizing radiation has not contributed in these

processes Meanwhile with HCC catalysts the irradiation used was electron beam

and had as a subject the extraction of molybdenum (Mo03) In temperature around

750degC these irradiated catalysts of the lower region have an extraction yield twice

higher compared to non-irradiated ones in other words 5765 and 2624

respectively

SUMAacuteRIO

Paacutegina

Capiacutetulo 1 14 INTRODUCcedilAtildeO 14 Capiacutetulo2 16

OBJETIVO 16 Capiacutetulo3 17 REVISAtildeO DA LITERATURA 17

31 Acataacutelise e o petroacuteleo 17

32 Craqueamento cataliacutetico 21

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico 22

34 Catalisadores e o meio ambiente 24

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees 25

351 Radiaccedilatildeo ionizante 26

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada 26

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo 27

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel 29

Capiacutetulo4 31 MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS 31

41 Teacutecnicas experimentais 31

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial 32

421 Catalisador de FCC 35

4211 Anaacutelises iniciais 35

4212 Preparo das amostras 39

4213 Resultados e discussatildeo 42

422 Catalisador de HCC 53

4221 Anaacutelises iniciais 53

4222 Preparo das amostras 56

4223 Resultados e discussatildeo 60

Capiacutetulootilde 67 CONCLUSAtildeO 67 Trabalhos futuros 68 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 69

LISTA DE FIGURAS

Paacutegina

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos

comercializaacuteveis 20

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de

Radiation-Thermal Treatment(RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partir

de resiacuteduos soacutelidos de catalisadores 29

FIGURA3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

32

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado

do leito inferior e c) desativado do leito superior 34

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadorde FCC 35

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem e b) desativado 37

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem 38

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado 39

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado

a 20kGy por raios gama 43

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e

virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy

e 150kGy 44

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado

e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100

kGye 150 kGy 44

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio 45

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita 46

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita 46

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC

virgem desativado e contaminado com niacutequel 51

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem

contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy porfeixe de eleacutetrons e

tratado com diclorometano e desativado 52

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadordeHCC 53

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC

virgem e desativados do leito inferior e superior 54

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de

HCC do leito superior 55

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de

temperatura 57

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo

simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP 58

FIGURA22 -Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura 60

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito inferior 64

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito superior 64

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por

RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de

eleacutetronsde 13 MeV 65

FIGURA26 - Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento

do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT 66

LISTA DE TABELAS

Paacutegina

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC 33

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e

desativados do leito inferiore superior 34

TABELA 3-Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC 37

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por

feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico 47

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com

feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy 49

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados

(60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy porfeixe de eleacutetrons 50

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente 61

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de

3036 MGy 62

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos

catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior 63

14

Capiacutetulo 1

INTRODUCcedilAtildeO

Qualquer um que considere cataacutelise heterogecircnea como um aspecto da

ciecircncia de superfiacutecie e estude o comportamento das moleacuteculas em uma superfiacutecie

cataliacutetica natildeo eacute suscetiacutevel de ser atraiacutedo pela ideia de um bombeamento de resiacuteduo

de petroacuteleo ao longo de superfiacutecies cataliacuteticas limpas e cuidadosamente

caracterizadas Catalisadores projetados para dessulfurarfraccedilotildees de destilaccedilatildeo de

petroacuteleo (Co-Moalumina ou Ni-Moalumina) perderatildeo a sua atividade em alguns

dias quando em contato com um resiacuteduo de petroacuteleo nas condiccedilotildees em que

poderiam funcionar bem durante vaacuterios anos em destilaccedilatildeo comercial de

hidroprocessamento (Oelderik 1989)

A cataacutelise foi praticada pela sociedade durante muitos anos sem que

tivesse o conhecimento dela como na fabricaccedilatildeo de vinhos e cervejas Atualmente

os catalisadores satildeo usados para dinamizar a forma com que produzimos materiais

em nosso ambiente sendo que seu impacto eacute substancial Induacutestrias quiacutemicas e

refinarias de petroacuteleo satildeo interconectadas com a induacutestria de catalisadores

(Armor 2011)

A concentraccedilatildeo do enxofre no oacuteleo varia de 02 (Golfo Peacutersico) a 4

(Meacutexico e Venezuela) O enxofre adveacutem de mercaptanas dissulfetos e aacutecido

sulfiacutedrico que lixiviaram para o oacuteleo Oacuteleos com elevada concentraccedilatildeo de enxofre

tecircm maior impacto nas operaccedilotildees da refinaria em funccedilatildeo dos seus efeitos

corrosivos As mercaptanas tecircm limite olfativo de partes por bilhatildeo (ppb) e

representam um seacuterio problema ambiental (Burgess 1997)

15

Por muitos anos utilizou-se aacutecido sulfuacuterico para extrair compostos agrave

base de enxofre gerando lodo aacutecido que exigia tratamento preacutevio agrave disposiccedilatildeo O

aacutecido sulfuacuterico foi substituiacutedo por aacutecido fluoriacutedrico Esses meacutetodos aacutecidos estatildeo

sendo substituiacutedos por teacutecnicas cataliacuteticas usando niacutequel cobalto e catalisadores

agrave base de molibdecircnio em gracircnulos pellets ou poacute dessulfuraccedilatildeo cataliacutetica ou

hidrotratamento (Burgess 1997)

O catalisador de FCC eacute composto basicamente por oacutexido de alumiacutenio

(AI2O3) e oacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) O processo de FCC tem como principal objetivo a

produccedilatildeo de nafta de alta octanagem e Gaacutes Liquefeito do Petroacuteleo (GLP) Jaacute o

catalisador de HCC eacute constituiacutedo de um suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) no

qual se depositam oacutexidos de niacutequel-molibdecircnio (NiO-MoO) O processo de HCC

ocorre na presenccedila do catalisador altas temperaturas e pressotildees e presenccedila de

grandes volumes de hidrogecircnio (Abadie 2002)

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte dos catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos

Oacuteleos crus satildeo misturas coloidais de diversos hidrocarbonetos Variam

de condensados leves altamente volaacuteteis e de baixas massas molares a pesadas

densos e altamente viscosos (oacuteleo pesado e betume) com uma tendecircncia de

elevada massa molar Oacuteleos pesados e crus normalmente possuem mais enxofre

nitrogecircnio e metais e satildeo vendidos com um desconto significativo aos oacuteleos leves

crus por exemplo os oacuteleos West Texas Intermediate (NationalEnergy Technology

Laboratory 2005)

Pesquisas em radiaccedilatildeo aplicadas ao petroacuteleo vem sendo estudadas

pelas maiores companhias petroliacuteferas desde 1950 Amplas variedades de fontes

radioativas a fontes de alta energia estatildeo sendo exploradas tais como emissatildeo de

necircutrons eleacutetrons raios gama partiacuteculas beta e produtos de fissatildeo

16

Capiacutetulo 2

OBJETIVO

O presente trabalho tem como objetivo estudar os efeitos das radiaccedilotildees

ionizantes (raios gama e feixe de eleacutetrons) nos catalisadores desativados de Fluid

Catalytic Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) para se viabilizar a

extraccedilatildeo de elementos quiacutemicos de alto valor agregado No caso dos catalisadores

de FCC tecircm-se como meta a extraccedilatildeo do lantacircnio (La203) a regeneraccedilatildeo e

utilizaccedilatildeo dos catalisadores jaacute para o catalisador de HCC a extraccedilatildeo do molibdecircnio

(M0O3)

17

Capiacutetulo 3

REVISAtildeO DA LITERATURA

31 A cataacutelise e o petroacuteleo

A primeira etapa de destilaccedilatildeo ocorre a pressatildeo atmosfeacuterica seguindo-

se uma seacuterie de estaacutegios com a retirada de aacutegua e dessalinizaccedilatildeo onde o oacuteleo eacute

processado em caldeiras para a vaporizaccedilatildeo parcial Eacute aquecido entre 340 degC a

345 degC antes do fracionamento O oacuteleo aquecido entra na torre de destilaccedilatildeo em

duas fraccedilotildees o vapor comeccedila a subir enquanto o petroacuteleo bruto reduzido natildeo

vaporizado eacute retirado pelo fundo da torre para o processamento de uma unidade

de destilaccedilatildeo a vaacutecuo O vapor resfria-se agrave medida que ascende e as fracccedilotildees de

elevado ponto de ebuliccedilatildeo se condensam nos pratos mais baixos Esse vapor

conteacutem alta porcentagem de hidrocarbonetos recuperaacuteveis com liacutequido

O gaacutes (gasoacuteleo) proveniente da destilaccedilatildeo simples e a vaacutecuo pode ser

processado no craqueamento cataliacutetico para produzir olefinas diolefinas

hidrocarbonetos aromaacuteticos e nafteno O oacuteleo pesado e o gasoacuteleo vatildeo para o

craqueador cataliacutetico entre 470 degC a 550 degC e de 689 kPa a 2067 kPa (10 Psi a

30 Psi) e por meio da interaccedilatildeo com os catalisadores (zeoacutelitas alumina-silicatos

argila em pellets ou poacute) 50 a 80 eacute craqueado em gasolina e em oacuteleo

combustiacutevel leve e pesado

Uma caracteriacutestica da operaccedilatildeo eacute a formaccedilatildeo de elevada porcentagem

de compostos aromaacuteticos A superfiacutecie do catalisador fica recoberta de depoacutesitos

de carbono leve e deve ser regenerada mediante aquecimento entre 540 degC a

650 degC em contato com o ar

18

Os destilados e o querosene cru satildeo tratados na planta de hidrogenaccedilatildeo

para conversatildeo destas matrizes em produtos de ponto de ebuliccedilatildeo mais baixos No

primeiro estaacutegio da operaccedilatildeo a 300 degC e pressatildeo de 206843 kPa (3000 Psi)

enxofre e nitrogecircnio satildeo removidos O craqueamento ocorre no segundo estaacutegio

no berccedilo cataliacutetico de cobalto-molibdecircnio ou cobalto-niacutequel em temperatura de

315 degC e pressatildeo de 103421 kPa (1500 Psi) Produtos apresentando larga faixa

de ebuliccedilatildeo satildeo formados e podem ser fracionados em produtos uacuteteis querosene

oacuteleo diesel e oacuteleo combustiacutevel leve

A nafta pesada contendo naftenos e parafinas eacute processada por meio

de unidades de reforma cataliacutetica que convertem o material a hidrocarbonetos

aromaacuteticos Esse processo eacute conduzido em temperatura elevada utilizando-se

como catalisador a platina o palaacutedio ou o niacutequel-cobalto O produto eacute utilizado

diretamente na refinaria para melhorar a octanagem da gasolina ou vendido para

petroquiacutemicas (Burgess 1997)

Em teoria as operaccedilotildees unitaacuterias da refinaccedilatildeo do oacuteleo parecem simples

na pratica satildeo bastante complicadas Uma refinaria consiste em uma ou mais

unidades aleacutem da unidade de destilaccedilatildeo que compreendem forno calefator de

oacuteleo torre de fracionamento retificadores a vapor equipamento de troca teacutermica

resfriadores e condensadores tambores de acumulo na unidade agitadores

descontiacutenuos ou unidade a tanquefechado de operaccedilatildeo continua (trata os produtos

e remove compostos nocivos de enxofre e atribui aos produtos uma cor aceitaacutevel)

filtros tanques de homogeneizaccedilatildeo e mistura da carga sistema de dutos para

recepccedilatildeo do oacuteleo cru bombas para transferecircncia dos oacuteleos e para carga e

embarque dos produtos tanques de estocagem do suprimento de oacuteleo e dos

produtos acabados sistema de recuperaccedilatildeo de vapor e diversos auxiliares

Deve-se incluir tambeacutem uma usina para geraccedilatildeo de vapor e

possivelmente de luz e eletricidade Na operaccedilatildeo dessa grande entidade os

balanccedilos de calor de energia e de massa satildeo da maior importacircncia para se

manterem riacutegidos controles de todas as etapas de processamento do oacuteleo

19

Na FIG 1 eacute mostrada uma representaccedilatildeo esquemaacutetica que exemplifica

um sistema baacutesico de refino com a separaccedilatildeo do oacuteleo cru nas diversas fraccedilotildees e

o tratamento subsequumlente de cada fraccedilatildeo os vaacuterios produtos satildeo removidos da

torre de oacuteleo cru conforme diagrama (Shreve 1977)

Gagraves

_ L xx fT ^

1 Oacuteleo cru

DESTILACcedilAtildeO DO OacuteLEO

CRU

As diversas operaccedilotildees e os vaacuterios produtos dependem da espeacuteice de oacuteleo que estaacute sendo destilada

Gasolina destilada

Nafta

REFORMA CATALITICA

Gasolina destilada

Gasolina de alta octanagem

S

uumlas liqueteito de petrograveleo

RECUPERACAtildeO DE GAacuteS Eacute

ESTABILIZACAtildeO DE GASOLINA

Isobutano

Butano

m ogt m ltigt

raquo c t l

Querosene ou oacuteleo combustiacutevel leve uuml

Gasoacuteleo

Gasoacuteleo i

Residuo

Residuo asfaacuteltico

Resiacuteduo de

lubrificante

pesaao

DESTILACcedilAtildeO ATMOSFEacuteRICA OU A VAacuteCUO

DESTILACAO A VAacuteCUO

DESTILACcedilAtildeO A VAacuteCULO

O l

r^ r CRAQUEAMENTO CATALIacuteTICO

1

-

Oleo 0U (

de fornalha )leo Diesel

Oleos combustiveis pesados

Oleo combustivel pesado

Asf 1105

diams Gasoacuteleo pesado

Oleo lubrificante destilado

Residuo de oacuteleo lubrificante

REFINA-CcedilAgraveOA SOL-

VFNTF

REFINA-CcedilAtildeOA SOL-

VENTE

ISOMERIZACcedilAtildeO

POLIME-RIZACcedilAtildeO

ALQUI-LACcedilAtildeO

Gasolina estabilizada

o Dusobuteno 8

(S s

HIDRO-GENACcedilIacuteO

o

d) 7 1 5 E -lt2 S

o

5

lt

ts S

HOMOGE

8

rmdash

NEIZACcedilAO Querosene

Oacuteleo de fornalha leve

Oacuteleo de fornalha

Oacuteleo Diesel

Oacuteleos combustiacuteveis pesados

Asfalto

1 amp iacute 8 o

DESPARA-FINACcedilAtildeO DESCO-

RAMENTO

Oleos lubrifican Oacuteleos

tes

Parafina O 1 1

HOMOGE-NEIZACAO

E EMBA-LAGEM

USINA DE REFINA-CAtildeODE

PAacuteRAFINA

Asfaltos

raquo-

mdashyen

mdash

mdash gt gt

Parafmas refinadas

Cozinha

Aeronaves

Automoacuteveis

Sitios e fazendas

Aquecimento domecircstico

Estradas de ferro

Faacutebricas

Embarcaccedilotildees

Estradas

Papel parafinado

Fonte Shreve 1977p593

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos comercializaacuteveis

21

32 Craqueamento cataliacutetico

O craqueamento cataliacutetico eacute um processo de quebra molecular Sua

carga eacute uma mistura de gasoacuteleo de vaacutecuo e oacuteleo desasfaltado que submetida a

condiccedilotildees bastante severas em presenccedila do catalisador eacute transformada em vaacuterias

outras fraccedilotildees mais leves produzindo gaacutes combustiacutevel gaacutes liquefeito nafta

gasoacuteleo leve (oacuteleo diesel de craqueamento) e gasoacuteleo pesado de craqueamento

(oacuteleo combustiacutevel) As reaccedilotildees produzem tambeacutem coque que se deposita no

catalisador e eacute queimado quando na regeneraccedilatildeo desse uacuteltimo gerando gaacutes de

combustatildeo de alto conteuacutedo energeacutetico usado na geraccedilatildeo de vapor de aacutegua de

alta pressatildeo

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial tomando

um notaacutevel impulso com este conflito em face agrave grande necessidade dos aliados

em relaccedilatildeo a suprimentos de gasolina e material petroquiacutemico para suas tropas

Com o fim da guerra o craqueamento cataliacutetico firmou-se principalmente em

funccedilatildeo da produccedilatildeo de nafta em maior quantidade de melhor qualidade e com

custos de produccedilatildeo bem inferiores aos outros processos existentes na eacutepoca

Eacute um processo destinado por excelecircncia agrave produccedilatildeo de nafta de alta

octanagem o derivado que aparece em maior quantidade de 50 a 65 do

volume em relaccedilatildeo agrave carga processada O segundo derivado em maior proporccedilatildeo

eacute o gaacutes liquefeito de petroacuteleo (GLP) de 25 a 40 do volume em relaccedilatildeo agrave carga

Em menores rendimentos temos tambeacutem o oacuteleo diesel de craqueamento Light

Cycle 07 (LCO) o oacuteleo combustiacutevel de craqueamento (oacuteleo decantado ou

clarificado) o gaacutes combustiacutevel e o gaacutes sulfiacutedrico (H2S) O coque gerado eacute

depositado no catalisadore queimado na regeneraccedilatildeo

A grande necessidade nacional de produccedilatildeo de GLP e principalmente

de gasolina ateacute o final dos anos setenta fez com que a PETROBRAS instalasse

este processo em todas as suas refinarias O craqueamento cataliacutetico tambeacutem

conhecido como Fluid Catalytic Cracking (FCC) eacute um processo de grande

versatilidade e de elevada rentabilidade no quadro atual do refino embora seja

tambeacutem uma unidade de alto investimento para sua implantaccedilatildeo (Abadie 2002)

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

1 ABADIE E Processo de Refino Material compilado pela Petrobraacutes Curitiba 2002

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Page 6: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

|j)iacutee Z^auberfiotildete ~ r iacute e der Kotildeniacutegiacuten der fjacht

(Mozart)

ESTUDO DO EFEITO DA RADIACcedilAtildeO IONIZANTE NA UTILIZACcedilAtildeO DOS CATALISADORES DESATIVADOS DE CRAQUEAMENTO

FERNANDO MANTOVANI KONDO

RESUMO

Catalisadoreacute uma substacircncia que altera a velocidade de uma reaccedilatildeo Na induacutestria

do petroacuteleo os catalisadores mais utilizados satildeo os catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) cada qual utilizado em uma

determinada etapa do processo Esses catalisadores satildeo usados para facilitar a

quebra das cadeias moleculares que daratildeo origem a uma mistura de

hidrocarbonetos Contudo o catalisador perde progressivamente sua atividade

seja pela mudanccedila de sua estrutura molecular original ou pela sua contaminaccedilatildeo

provenientes de outras moleacuteculas do petroacuteleo A aplicaccedilatildeo das radiaccedilotildees ionizantes

(feixe de eleacutetrons e raios gama) nesses catalisadores desativados foi estudada para

auxiliar na extraccedilatildeo de metais ou terras-raras de alto valoragregado Nos ensaios

realizados com os catalisadores de FCC utilizaram-se das teacutecnicas de irradiaccedilatildeo

por 60Co e porfeixe de eleacutetrons (EB) e tiveram como estudo a extraccedilatildeo do lantacircnio

(La2Uuml3) a regeneraccedilatildeo e utilizaccedilatildeo desses catalisadores Entretanto o uso da

radiaccedilatildeo ionizante natildeo contribuiu nesses processos Jaacute nos catalisadores de HCC

foi utilizado a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons e como estudo a extraccedilatildeo do

molibdecircnio (Mo03) Na temperatura em torno de 750degC nesses catalisadores

irradiados do leito inferior obteve-se um rendimento de extraccedilatildeo duas vezes maior

em comparaccedilatildeo aos natildeo irradiados ou seja de 5765 e 2624 respectivamente

STUDY OF THE EFFECT OF IONIZING RADIATION FOR UTILIZATION OF SPENT CRACKING CATALYSTS

FERNANDO MANTOVANI KONDO

ABSTRACT

Catalyst is a substance that changes the rate of a reaction In the petroleum industry

the commonly catalysts are used for Fluid Catalytic Cracking (FCC) and

Hidrocatalytic Cracking (HCC) which one applied in a specific stage These

catalysts are used to facilitate the molecular chains cracking which will generate a

mixture of hydrocarbons However the catalyst gradually loses its activity either by

changing its original molecular structure or by its contamination from other

petroleum molecules The application of ionizing radiation (electron beam and

gamma rays) over these spent catalysts was studied to contribute with the extraction

of metals or rare-earths of high added-value Tests carried out with FCC catalysts

were used the techniques of 60Co irradiation and electron beam (EB) and had as a

subject the extraction of lanthanum (La203) regeneration and utilization of these

catalysts However the use of ionizing radiation has not contributed in these

processes Meanwhile with HCC catalysts the irradiation used was electron beam

and had as a subject the extraction of molybdenum (Mo03) In temperature around

750degC these irradiated catalysts of the lower region have an extraction yield twice

higher compared to non-irradiated ones in other words 5765 and 2624

respectively

SUMAacuteRIO

Paacutegina

Capiacutetulo 1 14 INTRODUCcedilAtildeO 14 Capiacutetulo2 16

OBJETIVO 16 Capiacutetulo3 17 REVISAtildeO DA LITERATURA 17

31 Acataacutelise e o petroacuteleo 17

32 Craqueamento cataliacutetico 21

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico 22

34 Catalisadores e o meio ambiente 24

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees 25

351 Radiaccedilatildeo ionizante 26

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada 26

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo 27

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel 29

Capiacutetulo4 31 MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS 31

41 Teacutecnicas experimentais 31

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial 32

421 Catalisador de FCC 35

4211 Anaacutelises iniciais 35

4212 Preparo das amostras 39

4213 Resultados e discussatildeo 42

422 Catalisador de HCC 53

4221 Anaacutelises iniciais 53

4222 Preparo das amostras 56

4223 Resultados e discussatildeo 60

Capiacutetulootilde 67 CONCLUSAtildeO 67 Trabalhos futuros 68 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 69

LISTA DE FIGURAS

Paacutegina

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos

comercializaacuteveis 20

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de

Radiation-Thermal Treatment(RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partir

de resiacuteduos soacutelidos de catalisadores 29

FIGURA3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

32

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado

do leito inferior e c) desativado do leito superior 34

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadorde FCC 35

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem e b) desativado 37

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem 38

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado 39

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado

a 20kGy por raios gama 43

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e

virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy

e 150kGy 44

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado

e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100

kGye 150 kGy 44

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio 45

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita 46

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita 46

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC

virgem desativado e contaminado com niacutequel 51

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem

contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy porfeixe de eleacutetrons e

tratado com diclorometano e desativado 52

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadordeHCC 53

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC

virgem e desativados do leito inferior e superior 54

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de

HCC do leito superior 55

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de

temperatura 57

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo

simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP 58

FIGURA22 -Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura 60

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito inferior 64

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito superior 64

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por

RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de

eleacutetronsde 13 MeV 65

FIGURA26 - Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento

do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT 66

LISTA DE TABELAS

Paacutegina

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC 33

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e

desativados do leito inferiore superior 34

TABELA 3-Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC 37

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por

feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico 47

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com

feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy 49

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados

(60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy porfeixe de eleacutetrons 50

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente 61

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de

3036 MGy 62

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos

catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior 63

14

Capiacutetulo 1

INTRODUCcedilAtildeO

Qualquer um que considere cataacutelise heterogecircnea como um aspecto da

ciecircncia de superfiacutecie e estude o comportamento das moleacuteculas em uma superfiacutecie

cataliacutetica natildeo eacute suscetiacutevel de ser atraiacutedo pela ideia de um bombeamento de resiacuteduo

de petroacuteleo ao longo de superfiacutecies cataliacuteticas limpas e cuidadosamente

caracterizadas Catalisadores projetados para dessulfurarfraccedilotildees de destilaccedilatildeo de

petroacuteleo (Co-Moalumina ou Ni-Moalumina) perderatildeo a sua atividade em alguns

dias quando em contato com um resiacuteduo de petroacuteleo nas condiccedilotildees em que

poderiam funcionar bem durante vaacuterios anos em destilaccedilatildeo comercial de

hidroprocessamento (Oelderik 1989)

A cataacutelise foi praticada pela sociedade durante muitos anos sem que

tivesse o conhecimento dela como na fabricaccedilatildeo de vinhos e cervejas Atualmente

os catalisadores satildeo usados para dinamizar a forma com que produzimos materiais

em nosso ambiente sendo que seu impacto eacute substancial Induacutestrias quiacutemicas e

refinarias de petroacuteleo satildeo interconectadas com a induacutestria de catalisadores

(Armor 2011)

A concentraccedilatildeo do enxofre no oacuteleo varia de 02 (Golfo Peacutersico) a 4

(Meacutexico e Venezuela) O enxofre adveacutem de mercaptanas dissulfetos e aacutecido

sulfiacutedrico que lixiviaram para o oacuteleo Oacuteleos com elevada concentraccedilatildeo de enxofre

tecircm maior impacto nas operaccedilotildees da refinaria em funccedilatildeo dos seus efeitos

corrosivos As mercaptanas tecircm limite olfativo de partes por bilhatildeo (ppb) e

representam um seacuterio problema ambiental (Burgess 1997)

15

Por muitos anos utilizou-se aacutecido sulfuacuterico para extrair compostos agrave

base de enxofre gerando lodo aacutecido que exigia tratamento preacutevio agrave disposiccedilatildeo O

aacutecido sulfuacuterico foi substituiacutedo por aacutecido fluoriacutedrico Esses meacutetodos aacutecidos estatildeo

sendo substituiacutedos por teacutecnicas cataliacuteticas usando niacutequel cobalto e catalisadores

agrave base de molibdecircnio em gracircnulos pellets ou poacute dessulfuraccedilatildeo cataliacutetica ou

hidrotratamento (Burgess 1997)

O catalisador de FCC eacute composto basicamente por oacutexido de alumiacutenio

(AI2O3) e oacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) O processo de FCC tem como principal objetivo a

produccedilatildeo de nafta de alta octanagem e Gaacutes Liquefeito do Petroacuteleo (GLP) Jaacute o

catalisador de HCC eacute constituiacutedo de um suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) no

qual se depositam oacutexidos de niacutequel-molibdecircnio (NiO-MoO) O processo de HCC

ocorre na presenccedila do catalisador altas temperaturas e pressotildees e presenccedila de

grandes volumes de hidrogecircnio (Abadie 2002)

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte dos catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos

Oacuteleos crus satildeo misturas coloidais de diversos hidrocarbonetos Variam

de condensados leves altamente volaacuteteis e de baixas massas molares a pesadas

densos e altamente viscosos (oacuteleo pesado e betume) com uma tendecircncia de

elevada massa molar Oacuteleos pesados e crus normalmente possuem mais enxofre

nitrogecircnio e metais e satildeo vendidos com um desconto significativo aos oacuteleos leves

crus por exemplo os oacuteleos West Texas Intermediate (NationalEnergy Technology

Laboratory 2005)

Pesquisas em radiaccedilatildeo aplicadas ao petroacuteleo vem sendo estudadas

pelas maiores companhias petroliacuteferas desde 1950 Amplas variedades de fontes

radioativas a fontes de alta energia estatildeo sendo exploradas tais como emissatildeo de

necircutrons eleacutetrons raios gama partiacuteculas beta e produtos de fissatildeo

16

Capiacutetulo 2

OBJETIVO

O presente trabalho tem como objetivo estudar os efeitos das radiaccedilotildees

ionizantes (raios gama e feixe de eleacutetrons) nos catalisadores desativados de Fluid

Catalytic Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) para se viabilizar a

extraccedilatildeo de elementos quiacutemicos de alto valor agregado No caso dos catalisadores

de FCC tecircm-se como meta a extraccedilatildeo do lantacircnio (La203) a regeneraccedilatildeo e

utilizaccedilatildeo dos catalisadores jaacute para o catalisador de HCC a extraccedilatildeo do molibdecircnio

(M0O3)

17

Capiacutetulo 3

REVISAtildeO DA LITERATURA

31 A cataacutelise e o petroacuteleo

A primeira etapa de destilaccedilatildeo ocorre a pressatildeo atmosfeacuterica seguindo-

se uma seacuterie de estaacutegios com a retirada de aacutegua e dessalinizaccedilatildeo onde o oacuteleo eacute

processado em caldeiras para a vaporizaccedilatildeo parcial Eacute aquecido entre 340 degC a

345 degC antes do fracionamento O oacuteleo aquecido entra na torre de destilaccedilatildeo em

duas fraccedilotildees o vapor comeccedila a subir enquanto o petroacuteleo bruto reduzido natildeo

vaporizado eacute retirado pelo fundo da torre para o processamento de uma unidade

de destilaccedilatildeo a vaacutecuo O vapor resfria-se agrave medida que ascende e as fracccedilotildees de

elevado ponto de ebuliccedilatildeo se condensam nos pratos mais baixos Esse vapor

conteacutem alta porcentagem de hidrocarbonetos recuperaacuteveis com liacutequido

O gaacutes (gasoacuteleo) proveniente da destilaccedilatildeo simples e a vaacutecuo pode ser

processado no craqueamento cataliacutetico para produzir olefinas diolefinas

hidrocarbonetos aromaacuteticos e nafteno O oacuteleo pesado e o gasoacuteleo vatildeo para o

craqueador cataliacutetico entre 470 degC a 550 degC e de 689 kPa a 2067 kPa (10 Psi a

30 Psi) e por meio da interaccedilatildeo com os catalisadores (zeoacutelitas alumina-silicatos

argila em pellets ou poacute) 50 a 80 eacute craqueado em gasolina e em oacuteleo

combustiacutevel leve e pesado

Uma caracteriacutestica da operaccedilatildeo eacute a formaccedilatildeo de elevada porcentagem

de compostos aromaacuteticos A superfiacutecie do catalisador fica recoberta de depoacutesitos

de carbono leve e deve ser regenerada mediante aquecimento entre 540 degC a

650 degC em contato com o ar

18

Os destilados e o querosene cru satildeo tratados na planta de hidrogenaccedilatildeo

para conversatildeo destas matrizes em produtos de ponto de ebuliccedilatildeo mais baixos No

primeiro estaacutegio da operaccedilatildeo a 300 degC e pressatildeo de 206843 kPa (3000 Psi)

enxofre e nitrogecircnio satildeo removidos O craqueamento ocorre no segundo estaacutegio

no berccedilo cataliacutetico de cobalto-molibdecircnio ou cobalto-niacutequel em temperatura de

315 degC e pressatildeo de 103421 kPa (1500 Psi) Produtos apresentando larga faixa

de ebuliccedilatildeo satildeo formados e podem ser fracionados em produtos uacuteteis querosene

oacuteleo diesel e oacuteleo combustiacutevel leve

A nafta pesada contendo naftenos e parafinas eacute processada por meio

de unidades de reforma cataliacutetica que convertem o material a hidrocarbonetos

aromaacuteticos Esse processo eacute conduzido em temperatura elevada utilizando-se

como catalisador a platina o palaacutedio ou o niacutequel-cobalto O produto eacute utilizado

diretamente na refinaria para melhorar a octanagem da gasolina ou vendido para

petroquiacutemicas (Burgess 1997)

Em teoria as operaccedilotildees unitaacuterias da refinaccedilatildeo do oacuteleo parecem simples

na pratica satildeo bastante complicadas Uma refinaria consiste em uma ou mais

unidades aleacutem da unidade de destilaccedilatildeo que compreendem forno calefator de

oacuteleo torre de fracionamento retificadores a vapor equipamento de troca teacutermica

resfriadores e condensadores tambores de acumulo na unidade agitadores

descontiacutenuos ou unidade a tanquefechado de operaccedilatildeo continua (trata os produtos

e remove compostos nocivos de enxofre e atribui aos produtos uma cor aceitaacutevel)

filtros tanques de homogeneizaccedilatildeo e mistura da carga sistema de dutos para

recepccedilatildeo do oacuteleo cru bombas para transferecircncia dos oacuteleos e para carga e

embarque dos produtos tanques de estocagem do suprimento de oacuteleo e dos

produtos acabados sistema de recuperaccedilatildeo de vapor e diversos auxiliares

Deve-se incluir tambeacutem uma usina para geraccedilatildeo de vapor e

possivelmente de luz e eletricidade Na operaccedilatildeo dessa grande entidade os

balanccedilos de calor de energia e de massa satildeo da maior importacircncia para se

manterem riacutegidos controles de todas as etapas de processamento do oacuteleo

19

Na FIG 1 eacute mostrada uma representaccedilatildeo esquemaacutetica que exemplifica

um sistema baacutesico de refino com a separaccedilatildeo do oacuteleo cru nas diversas fraccedilotildees e

o tratamento subsequumlente de cada fraccedilatildeo os vaacuterios produtos satildeo removidos da

torre de oacuteleo cru conforme diagrama (Shreve 1977)

Gagraves

_ L xx fT ^

1 Oacuteleo cru

DESTILACcedilAtildeO DO OacuteLEO

CRU

As diversas operaccedilotildees e os vaacuterios produtos dependem da espeacuteice de oacuteleo que estaacute sendo destilada

Gasolina destilada

Nafta

REFORMA CATALITICA

Gasolina destilada

Gasolina de alta octanagem

S

uumlas liqueteito de petrograveleo

RECUPERACAtildeO DE GAacuteS Eacute

ESTABILIZACAtildeO DE GASOLINA

Isobutano

Butano

m ogt m ltigt

raquo c t l

Querosene ou oacuteleo combustiacutevel leve uuml

Gasoacuteleo

Gasoacuteleo i

Residuo

Residuo asfaacuteltico

Resiacuteduo de

lubrificante

pesaao

DESTILACcedilAtildeO ATMOSFEacuteRICA OU A VAacuteCUO

DESTILACAO A VAacuteCUO

DESTILACcedilAtildeO A VAacuteCULO

O l

r^ r CRAQUEAMENTO CATALIacuteTICO

1

-

Oleo 0U (

de fornalha )leo Diesel

Oleos combustiveis pesados

Oleo combustivel pesado

Asf 1105

diams Gasoacuteleo pesado

Oleo lubrificante destilado

Residuo de oacuteleo lubrificante

REFINA-CcedilAgraveOA SOL-

VFNTF

REFINA-CcedilAtildeOA SOL-

VENTE

ISOMERIZACcedilAtildeO

POLIME-RIZACcedilAtildeO

ALQUI-LACcedilAtildeO

Gasolina estabilizada

o Dusobuteno 8

(S s

HIDRO-GENACcedilIacuteO

o

d) 7 1 5 E -lt2 S

o

5

lt

ts S

HOMOGE

8

rmdash

NEIZACcedilAO Querosene

Oacuteleo de fornalha leve

Oacuteleo de fornalha

Oacuteleo Diesel

Oacuteleos combustiacuteveis pesados

Asfalto

1 amp iacute 8 o

DESPARA-FINACcedilAtildeO DESCO-

RAMENTO

Oleos lubrifican Oacuteleos

tes

Parafina O 1 1

HOMOGE-NEIZACAO

E EMBA-LAGEM

USINA DE REFINA-CAtildeODE

PAacuteRAFINA

Asfaltos

raquo-

mdashyen

mdash

mdash gt gt

Parafmas refinadas

Cozinha

Aeronaves

Automoacuteveis

Sitios e fazendas

Aquecimento domecircstico

Estradas de ferro

Faacutebricas

Embarcaccedilotildees

Estradas

Papel parafinado

Fonte Shreve 1977p593

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos comercializaacuteveis

21

32 Craqueamento cataliacutetico

O craqueamento cataliacutetico eacute um processo de quebra molecular Sua

carga eacute uma mistura de gasoacuteleo de vaacutecuo e oacuteleo desasfaltado que submetida a

condiccedilotildees bastante severas em presenccedila do catalisador eacute transformada em vaacuterias

outras fraccedilotildees mais leves produzindo gaacutes combustiacutevel gaacutes liquefeito nafta

gasoacuteleo leve (oacuteleo diesel de craqueamento) e gasoacuteleo pesado de craqueamento

(oacuteleo combustiacutevel) As reaccedilotildees produzem tambeacutem coque que se deposita no

catalisador e eacute queimado quando na regeneraccedilatildeo desse uacuteltimo gerando gaacutes de

combustatildeo de alto conteuacutedo energeacutetico usado na geraccedilatildeo de vapor de aacutegua de

alta pressatildeo

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial tomando

um notaacutevel impulso com este conflito em face agrave grande necessidade dos aliados

em relaccedilatildeo a suprimentos de gasolina e material petroquiacutemico para suas tropas

Com o fim da guerra o craqueamento cataliacutetico firmou-se principalmente em

funccedilatildeo da produccedilatildeo de nafta em maior quantidade de melhor qualidade e com

custos de produccedilatildeo bem inferiores aos outros processos existentes na eacutepoca

Eacute um processo destinado por excelecircncia agrave produccedilatildeo de nafta de alta

octanagem o derivado que aparece em maior quantidade de 50 a 65 do

volume em relaccedilatildeo agrave carga processada O segundo derivado em maior proporccedilatildeo

eacute o gaacutes liquefeito de petroacuteleo (GLP) de 25 a 40 do volume em relaccedilatildeo agrave carga

Em menores rendimentos temos tambeacutem o oacuteleo diesel de craqueamento Light

Cycle 07 (LCO) o oacuteleo combustiacutevel de craqueamento (oacuteleo decantado ou

clarificado) o gaacutes combustiacutevel e o gaacutes sulfiacutedrico (H2S) O coque gerado eacute

depositado no catalisadore queimado na regeneraccedilatildeo

A grande necessidade nacional de produccedilatildeo de GLP e principalmente

de gasolina ateacute o final dos anos setenta fez com que a PETROBRAS instalasse

este processo em todas as suas refinarias O craqueamento cataliacutetico tambeacutem

conhecido como Fluid Catalytic Cracking (FCC) eacute um processo de grande

versatilidade e de elevada rentabilidade no quadro atual do refino embora seja

tambeacutem uma unidade de alto investimento para sua implantaccedilatildeo (Abadie 2002)

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Page 7: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

ESTUDO DO EFEITO DA RADIACcedilAtildeO IONIZANTE NA UTILIZACcedilAtildeO DOS CATALISADORES DESATIVADOS DE CRAQUEAMENTO

FERNANDO MANTOVANI KONDO

RESUMO

Catalisadoreacute uma substacircncia que altera a velocidade de uma reaccedilatildeo Na induacutestria

do petroacuteleo os catalisadores mais utilizados satildeo os catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) cada qual utilizado em uma

determinada etapa do processo Esses catalisadores satildeo usados para facilitar a

quebra das cadeias moleculares que daratildeo origem a uma mistura de

hidrocarbonetos Contudo o catalisador perde progressivamente sua atividade

seja pela mudanccedila de sua estrutura molecular original ou pela sua contaminaccedilatildeo

provenientes de outras moleacuteculas do petroacuteleo A aplicaccedilatildeo das radiaccedilotildees ionizantes

(feixe de eleacutetrons e raios gama) nesses catalisadores desativados foi estudada para

auxiliar na extraccedilatildeo de metais ou terras-raras de alto valoragregado Nos ensaios

realizados com os catalisadores de FCC utilizaram-se das teacutecnicas de irradiaccedilatildeo

por 60Co e porfeixe de eleacutetrons (EB) e tiveram como estudo a extraccedilatildeo do lantacircnio

(La2Uuml3) a regeneraccedilatildeo e utilizaccedilatildeo desses catalisadores Entretanto o uso da

radiaccedilatildeo ionizante natildeo contribuiu nesses processos Jaacute nos catalisadores de HCC

foi utilizado a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons e como estudo a extraccedilatildeo do

molibdecircnio (Mo03) Na temperatura em torno de 750degC nesses catalisadores

irradiados do leito inferior obteve-se um rendimento de extraccedilatildeo duas vezes maior

em comparaccedilatildeo aos natildeo irradiados ou seja de 5765 e 2624 respectivamente

STUDY OF THE EFFECT OF IONIZING RADIATION FOR UTILIZATION OF SPENT CRACKING CATALYSTS

FERNANDO MANTOVANI KONDO

ABSTRACT

Catalyst is a substance that changes the rate of a reaction In the petroleum industry

the commonly catalysts are used for Fluid Catalytic Cracking (FCC) and

Hidrocatalytic Cracking (HCC) which one applied in a specific stage These

catalysts are used to facilitate the molecular chains cracking which will generate a

mixture of hydrocarbons However the catalyst gradually loses its activity either by

changing its original molecular structure or by its contamination from other

petroleum molecules The application of ionizing radiation (electron beam and

gamma rays) over these spent catalysts was studied to contribute with the extraction

of metals or rare-earths of high added-value Tests carried out with FCC catalysts

were used the techniques of 60Co irradiation and electron beam (EB) and had as a

subject the extraction of lanthanum (La203) regeneration and utilization of these

catalysts However the use of ionizing radiation has not contributed in these

processes Meanwhile with HCC catalysts the irradiation used was electron beam

and had as a subject the extraction of molybdenum (Mo03) In temperature around

750degC these irradiated catalysts of the lower region have an extraction yield twice

higher compared to non-irradiated ones in other words 5765 and 2624

respectively

SUMAacuteRIO

Paacutegina

Capiacutetulo 1 14 INTRODUCcedilAtildeO 14 Capiacutetulo2 16

OBJETIVO 16 Capiacutetulo3 17 REVISAtildeO DA LITERATURA 17

31 Acataacutelise e o petroacuteleo 17

32 Craqueamento cataliacutetico 21

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico 22

34 Catalisadores e o meio ambiente 24

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees 25

351 Radiaccedilatildeo ionizante 26

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada 26

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo 27

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel 29

Capiacutetulo4 31 MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS 31

41 Teacutecnicas experimentais 31

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial 32

421 Catalisador de FCC 35

4211 Anaacutelises iniciais 35

4212 Preparo das amostras 39

4213 Resultados e discussatildeo 42

422 Catalisador de HCC 53

4221 Anaacutelises iniciais 53

4222 Preparo das amostras 56

4223 Resultados e discussatildeo 60

Capiacutetulootilde 67 CONCLUSAtildeO 67 Trabalhos futuros 68 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 69

LISTA DE FIGURAS

Paacutegina

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos

comercializaacuteveis 20

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de

Radiation-Thermal Treatment(RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partir

de resiacuteduos soacutelidos de catalisadores 29

FIGURA3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

32

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado

do leito inferior e c) desativado do leito superior 34

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadorde FCC 35

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem e b) desativado 37

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem 38

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado 39

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado

a 20kGy por raios gama 43

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e

virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy

e 150kGy 44

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado

e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100

kGye 150 kGy 44

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio 45

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita 46

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita 46

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC

virgem desativado e contaminado com niacutequel 51

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem

contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy porfeixe de eleacutetrons e

tratado com diclorometano e desativado 52

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadordeHCC 53

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC

virgem e desativados do leito inferior e superior 54

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de

HCC do leito superior 55

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de

temperatura 57

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo

simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP 58

FIGURA22 -Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura 60

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito inferior 64

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito superior 64

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por

RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de

eleacutetronsde 13 MeV 65

FIGURA26 - Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento

do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT 66

LISTA DE TABELAS

Paacutegina

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC 33

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e

desativados do leito inferiore superior 34

TABELA 3-Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC 37

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por

feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico 47

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com

feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy 49

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados

(60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy porfeixe de eleacutetrons 50

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente 61

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de

3036 MGy 62

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos

catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior 63

14

Capiacutetulo 1

INTRODUCcedilAtildeO

Qualquer um que considere cataacutelise heterogecircnea como um aspecto da

ciecircncia de superfiacutecie e estude o comportamento das moleacuteculas em uma superfiacutecie

cataliacutetica natildeo eacute suscetiacutevel de ser atraiacutedo pela ideia de um bombeamento de resiacuteduo

de petroacuteleo ao longo de superfiacutecies cataliacuteticas limpas e cuidadosamente

caracterizadas Catalisadores projetados para dessulfurarfraccedilotildees de destilaccedilatildeo de

petroacuteleo (Co-Moalumina ou Ni-Moalumina) perderatildeo a sua atividade em alguns

dias quando em contato com um resiacuteduo de petroacuteleo nas condiccedilotildees em que

poderiam funcionar bem durante vaacuterios anos em destilaccedilatildeo comercial de

hidroprocessamento (Oelderik 1989)

A cataacutelise foi praticada pela sociedade durante muitos anos sem que

tivesse o conhecimento dela como na fabricaccedilatildeo de vinhos e cervejas Atualmente

os catalisadores satildeo usados para dinamizar a forma com que produzimos materiais

em nosso ambiente sendo que seu impacto eacute substancial Induacutestrias quiacutemicas e

refinarias de petroacuteleo satildeo interconectadas com a induacutestria de catalisadores

(Armor 2011)

A concentraccedilatildeo do enxofre no oacuteleo varia de 02 (Golfo Peacutersico) a 4

(Meacutexico e Venezuela) O enxofre adveacutem de mercaptanas dissulfetos e aacutecido

sulfiacutedrico que lixiviaram para o oacuteleo Oacuteleos com elevada concentraccedilatildeo de enxofre

tecircm maior impacto nas operaccedilotildees da refinaria em funccedilatildeo dos seus efeitos

corrosivos As mercaptanas tecircm limite olfativo de partes por bilhatildeo (ppb) e

representam um seacuterio problema ambiental (Burgess 1997)

15

Por muitos anos utilizou-se aacutecido sulfuacuterico para extrair compostos agrave

base de enxofre gerando lodo aacutecido que exigia tratamento preacutevio agrave disposiccedilatildeo O

aacutecido sulfuacuterico foi substituiacutedo por aacutecido fluoriacutedrico Esses meacutetodos aacutecidos estatildeo

sendo substituiacutedos por teacutecnicas cataliacuteticas usando niacutequel cobalto e catalisadores

agrave base de molibdecircnio em gracircnulos pellets ou poacute dessulfuraccedilatildeo cataliacutetica ou

hidrotratamento (Burgess 1997)

O catalisador de FCC eacute composto basicamente por oacutexido de alumiacutenio

(AI2O3) e oacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) O processo de FCC tem como principal objetivo a

produccedilatildeo de nafta de alta octanagem e Gaacutes Liquefeito do Petroacuteleo (GLP) Jaacute o

catalisador de HCC eacute constituiacutedo de um suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) no

qual se depositam oacutexidos de niacutequel-molibdecircnio (NiO-MoO) O processo de HCC

ocorre na presenccedila do catalisador altas temperaturas e pressotildees e presenccedila de

grandes volumes de hidrogecircnio (Abadie 2002)

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte dos catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos

Oacuteleos crus satildeo misturas coloidais de diversos hidrocarbonetos Variam

de condensados leves altamente volaacuteteis e de baixas massas molares a pesadas

densos e altamente viscosos (oacuteleo pesado e betume) com uma tendecircncia de

elevada massa molar Oacuteleos pesados e crus normalmente possuem mais enxofre

nitrogecircnio e metais e satildeo vendidos com um desconto significativo aos oacuteleos leves

crus por exemplo os oacuteleos West Texas Intermediate (NationalEnergy Technology

Laboratory 2005)

Pesquisas em radiaccedilatildeo aplicadas ao petroacuteleo vem sendo estudadas

pelas maiores companhias petroliacuteferas desde 1950 Amplas variedades de fontes

radioativas a fontes de alta energia estatildeo sendo exploradas tais como emissatildeo de

necircutrons eleacutetrons raios gama partiacuteculas beta e produtos de fissatildeo

16

Capiacutetulo 2

OBJETIVO

O presente trabalho tem como objetivo estudar os efeitos das radiaccedilotildees

ionizantes (raios gama e feixe de eleacutetrons) nos catalisadores desativados de Fluid

Catalytic Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) para se viabilizar a

extraccedilatildeo de elementos quiacutemicos de alto valor agregado No caso dos catalisadores

de FCC tecircm-se como meta a extraccedilatildeo do lantacircnio (La203) a regeneraccedilatildeo e

utilizaccedilatildeo dos catalisadores jaacute para o catalisador de HCC a extraccedilatildeo do molibdecircnio

(M0O3)

17

Capiacutetulo 3

REVISAtildeO DA LITERATURA

31 A cataacutelise e o petroacuteleo

A primeira etapa de destilaccedilatildeo ocorre a pressatildeo atmosfeacuterica seguindo-

se uma seacuterie de estaacutegios com a retirada de aacutegua e dessalinizaccedilatildeo onde o oacuteleo eacute

processado em caldeiras para a vaporizaccedilatildeo parcial Eacute aquecido entre 340 degC a

345 degC antes do fracionamento O oacuteleo aquecido entra na torre de destilaccedilatildeo em

duas fraccedilotildees o vapor comeccedila a subir enquanto o petroacuteleo bruto reduzido natildeo

vaporizado eacute retirado pelo fundo da torre para o processamento de uma unidade

de destilaccedilatildeo a vaacutecuo O vapor resfria-se agrave medida que ascende e as fracccedilotildees de

elevado ponto de ebuliccedilatildeo se condensam nos pratos mais baixos Esse vapor

conteacutem alta porcentagem de hidrocarbonetos recuperaacuteveis com liacutequido

O gaacutes (gasoacuteleo) proveniente da destilaccedilatildeo simples e a vaacutecuo pode ser

processado no craqueamento cataliacutetico para produzir olefinas diolefinas

hidrocarbonetos aromaacuteticos e nafteno O oacuteleo pesado e o gasoacuteleo vatildeo para o

craqueador cataliacutetico entre 470 degC a 550 degC e de 689 kPa a 2067 kPa (10 Psi a

30 Psi) e por meio da interaccedilatildeo com os catalisadores (zeoacutelitas alumina-silicatos

argila em pellets ou poacute) 50 a 80 eacute craqueado em gasolina e em oacuteleo

combustiacutevel leve e pesado

Uma caracteriacutestica da operaccedilatildeo eacute a formaccedilatildeo de elevada porcentagem

de compostos aromaacuteticos A superfiacutecie do catalisador fica recoberta de depoacutesitos

de carbono leve e deve ser regenerada mediante aquecimento entre 540 degC a

650 degC em contato com o ar

18

Os destilados e o querosene cru satildeo tratados na planta de hidrogenaccedilatildeo

para conversatildeo destas matrizes em produtos de ponto de ebuliccedilatildeo mais baixos No

primeiro estaacutegio da operaccedilatildeo a 300 degC e pressatildeo de 206843 kPa (3000 Psi)

enxofre e nitrogecircnio satildeo removidos O craqueamento ocorre no segundo estaacutegio

no berccedilo cataliacutetico de cobalto-molibdecircnio ou cobalto-niacutequel em temperatura de

315 degC e pressatildeo de 103421 kPa (1500 Psi) Produtos apresentando larga faixa

de ebuliccedilatildeo satildeo formados e podem ser fracionados em produtos uacuteteis querosene

oacuteleo diesel e oacuteleo combustiacutevel leve

A nafta pesada contendo naftenos e parafinas eacute processada por meio

de unidades de reforma cataliacutetica que convertem o material a hidrocarbonetos

aromaacuteticos Esse processo eacute conduzido em temperatura elevada utilizando-se

como catalisador a platina o palaacutedio ou o niacutequel-cobalto O produto eacute utilizado

diretamente na refinaria para melhorar a octanagem da gasolina ou vendido para

petroquiacutemicas (Burgess 1997)

Em teoria as operaccedilotildees unitaacuterias da refinaccedilatildeo do oacuteleo parecem simples

na pratica satildeo bastante complicadas Uma refinaria consiste em uma ou mais

unidades aleacutem da unidade de destilaccedilatildeo que compreendem forno calefator de

oacuteleo torre de fracionamento retificadores a vapor equipamento de troca teacutermica

resfriadores e condensadores tambores de acumulo na unidade agitadores

descontiacutenuos ou unidade a tanquefechado de operaccedilatildeo continua (trata os produtos

e remove compostos nocivos de enxofre e atribui aos produtos uma cor aceitaacutevel)

filtros tanques de homogeneizaccedilatildeo e mistura da carga sistema de dutos para

recepccedilatildeo do oacuteleo cru bombas para transferecircncia dos oacuteleos e para carga e

embarque dos produtos tanques de estocagem do suprimento de oacuteleo e dos

produtos acabados sistema de recuperaccedilatildeo de vapor e diversos auxiliares

Deve-se incluir tambeacutem uma usina para geraccedilatildeo de vapor e

possivelmente de luz e eletricidade Na operaccedilatildeo dessa grande entidade os

balanccedilos de calor de energia e de massa satildeo da maior importacircncia para se

manterem riacutegidos controles de todas as etapas de processamento do oacuteleo

19

Na FIG 1 eacute mostrada uma representaccedilatildeo esquemaacutetica que exemplifica

um sistema baacutesico de refino com a separaccedilatildeo do oacuteleo cru nas diversas fraccedilotildees e

o tratamento subsequumlente de cada fraccedilatildeo os vaacuterios produtos satildeo removidos da

torre de oacuteleo cru conforme diagrama (Shreve 1977)

Gagraves

_ L xx fT ^

1 Oacuteleo cru

DESTILACcedilAtildeO DO OacuteLEO

CRU

As diversas operaccedilotildees e os vaacuterios produtos dependem da espeacuteice de oacuteleo que estaacute sendo destilada

Gasolina destilada

Nafta

REFORMA CATALITICA

Gasolina destilada

Gasolina de alta octanagem

S

uumlas liqueteito de petrograveleo

RECUPERACAtildeO DE GAacuteS Eacute

ESTABILIZACAtildeO DE GASOLINA

Isobutano

Butano

m ogt m ltigt

raquo c t l

Querosene ou oacuteleo combustiacutevel leve uuml

Gasoacuteleo

Gasoacuteleo i

Residuo

Residuo asfaacuteltico

Resiacuteduo de

lubrificante

pesaao

DESTILACcedilAtildeO ATMOSFEacuteRICA OU A VAacuteCUO

DESTILACAO A VAacuteCUO

DESTILACcedilAtildeO A VAacuteCULO

O l

r^ r CRAQUEAMENTO CATALIacuteTICO

1

-

Oleo 0U (

de fornalha )leo Diesel

Oleos combustiveis pesados

Oleo combustivel pesado

Asf 1105

diams Gasoacuteleo pesado

Oleo lubrificante destilado

Residuo de oacuteleo lubrificante

REFINA-CcedilAgraveOA SOL-

VFNTF

REFINA-CcedilAtildeOA SOL-

VENTE

ISOMERIZACcedilAtildeO

POLIME-RIZACcedilAtildeO

ALQUI-LACcedilAtildeO

Gasolina estabilizada

o Dusobuteno 8

(S s

HIDRO-GENACcedilIacuteO

o

d) 7 1 5 E -lt2 S

o

5

lt

ts S

HOMOGE

8

rmdash

NEIZACcedilAO Querosene

Oacuteleo de fornalha leve

Oacuteleo de fornalha

Oacuteleo Diesel

Oacuteleos combustiacuteveis pesados

Asfalto

1 amp iacute 8 o

DESPARA-FINACcedilAtildeO DESCO-

RAMENTO

Oleos lubrifican Oacuteleos

tes

Parafina O 1 1

HOMOGE-NEIZACAO

E EMBA-LAGEM

USINA DE REFINA-CAtildeODE

PAacuteRAFINA

Asfaltos

raquo-

mdashyen

mdash

mdash gt gt

Parafmas refinadas

Cozinha

Aeronaves

Automoacuteveis

Sitios e fazendas

Aquecimento domecircstico

Estradas de ferro

Faacutebricas

Embarcaccedilotildees

Estradas

Papel parafinado

Fonte Shreve 1977p593

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos comercializaacuteveis

21

32 Craqueamento cataliacutetico

O craqueamento cataliacutetico eacute um processo de quebra molecular Sua

carga eacute uma mistura de gasoacuteleo de vaacutecuo e oacuteleo desasfaltado que submetida a

condiccedilotildees bastante severas em presenccedila do catalisador eacute transformada em vaacuterias

outras fraccedilotildees mais leves produzindo gaacutes combustiacutevel gaacutes liquefeito nafta

gasoacuteleo leve (oacuteleo diesel de craqueamento) e gasoacuteleo pesado de craqueamento

(oacuteleo combustiacutevel) As reaccedilotildees produzem tambeacutem coque que se deposita no

catalisador e eacute queimado quando na regeneraccedilatildeo desse uacuteltimo gerando gaacutes de

combustatildeo de alto conteuacutedo energeacutetico usado na geraccedilatildeo de vapor de aacutegua de

alta pressatildeo

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial tomando

um notaacutevel impulso com este conflito em face agrave grande necessidade dos aliados

em relaccedilatildeo a suprimentos de gasolina e material petroquiacutemico para suas tropas

Com o fim da guerra o craqueamento cataliacutetico firmou-se principalmente em

funccedilatildeo da produccedilatildeo de nafta em maior quantidade de melhor qualidade e com

custos de produccedilatildeo bem inferiores aos outros processos existentes na eacutepoca

Eacute um processo destinado por excelecircncia agrave produccedilatildeo de nafta de alta

octanagem o derivado que aparece em maior quantidade de 50 a 65 do

volume em relaccedilatildeo agrave carga processada O segundo derivado em maior proporccedilatildeo

eacute o gaacutes liquefeito de petroacuteleo (GLP) de 25 a 40 do volume em relaccedilatildeo agrave carga

Em menores rendimentos temos tambeacutem o oacuteleo diesel de craqueamento Light

Cycle 07 (LCO) o oacuteleo combustiacutevel de craqueamento (oacuteleo decantado ou

clarificado) o gaacutes combustiacutevel e o gaacutes sulfiacutedrico (H2S) O coque gerado eacute

depositado no catalisadore queimado na regeneraccedilatildeo

A grande necessidade nacional de produccedilatildeo de GLP e principalmente

de gasolina ateacute o final dos anos setenta fez com que a PETROBRAS instalasse

este processo em todas as suas refinarias O craqueamento cataliacutetico tambeacutem

conhecido como Fluid Catalytic Cracking (FCC) eacute um processo de grande

versatilidade e de elevada rentabilidade no quadro atual do refino embora seja

tambeacutem uma unidade de alto investimento para sua implantaccedilatildeo (Abadie 2002)

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 8: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

STUDY OF THE EFFECT OF IONIZING RADIATION FOR UTILIZATION OF SPENT CRACKING CATALYSTS

FERNANDO MANTOVANI KONDO

ABSTRACT

Catalyst is a substance that changes the rate of a reaction In the petroleum industry

the commonly catalysts are used for Fluid Catalytic Cracking (FCC) and

Hidrocatalytic Cracking (HCC) which one applied in a specific stage These

catalysts are used to facilitate the molecular chains cracking which will generate a

mixture of hydrocarbons However the catalyst gradually loses its activity either by

changing its original molecular structure or by its contamination from other

petroleum molecules The application of ionizing radiation (electron beam and

gamma rays) over these spent catalysts was studied to contribute with the extraction

of metals or rare-earths of high added-value Tests carried out with FCC catalysts

were used the techniques of 60Co irradiation and electron beam (EB) and had as a

subject the extraction of lanthanum (La203) regeneration and utilization of these

catalysts However the use of ionizing radiation has not contributed in these

processes Meanwhile with HCC catalysts the irradiation used was electron beam

and had as a subject the extraction of molybdenum (Mo03) In temperature around

750degC these irradiated catalysts of the lower region have an extraction yield twice

higher compared to non-irradiated ones in other words 5765 and 2624

respectively

SUMAacuteRIO

Paacutegina

Capiacutetulo 1 14 INTRODUCcedilAtildeO 14 Capiacutetulo2 16

OBJETIVO 16 Capiacutetulo3 17 REVISAtildeO DA LITERATURA 17

31 Acataacutelise e o petroacuteleo 17

32 Craqueamento cataliacutetico 21

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico 22

34 Catalisadores e o meio ambiente 24

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees 25

351 Radiaccedilatildeo ionizante 26

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada 26

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo 27

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel 29

Capiacutetulo4 31 MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS 31

41 Teacutecnicas experimentais 31

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial 32

421 Catalisador de FCC 35

4211 Anaacutelises iniciais 35

4212 Preparo das amostras 39

4213 Resultados e discussatildeo 42

422 Catalisador de HCC 53

4221 Anaacutelises iniciais 53

4222 Preparo das amostras 56

4223 Resultados e discussatildeo 60

Capiacutetulootilde 67 CONCLUSAtildeO 67 Trabalhos futuros 68 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 69

LISTA DE FIGURAS

Paacutegina

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos

comercializaacuteveis 20

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de

Radiation-Thermal Treatment(RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partir

de resiacuteduos soacutelidos de catalisadores 29

FIGURA3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

32

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado

do leito inferior e c) desativado do leito superior 34

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadorde FCC 35

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem e b) desativado 37

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem 38

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado 39

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado

a 20kGy por raios gama 43

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e

virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy

e 150kGy 44

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado

e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100

kGye 150 kGy 44

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio 45

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita 46

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita 46

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC

virgem desativado e contaminado com niacutequel 51

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem

contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy porfeixe de eleacutetrons e

tratado com diclorometano e desativado 52

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadordeHCC 53

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC

virgem e desativados do leito inferior e superior 54

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de

HCC do leito superior 55

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de

temperatura 57

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo

simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP 58

FIGURA22 -Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura 60

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito inferior 64

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito superior 64

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por

RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de

eleacutetronsde 13 MeV 65

FIGURA26 - Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento

do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT 66

LISTA DE TABELAS

Paacutegina

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC 33

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e

desativados do leito inferiore superior 34

TABELA 3-Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC 37

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por

feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico 47

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com

feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy 49

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados

(60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy porfeixe de eleacutetrons 50

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente 61

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de

3036 MGy 62

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos

catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior 63

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Capiacutetulo 1

INTRODUCcedilAtildeO

Qualquer um que considere cataacutelise heterogecircnea como um aspecto da

ciecircncia de superfiacutecie e estude o comportamento das moleacuteculas em uma superfiacutecie

cataliacutetica natildeo eacute suscetiacutevel de ser atraiacutedo pela ideia de um bombeamento de resiacuteduo

de petroacuteleo ao longo de superfiacutecies cataliacuteticas limpas e cuidadosamente

caracterizadas Catalisadores projetados para dessulfurarfraccedilotildees de destilaccedilatildeo de

petroacuteleo (Co-Moalumina ou Ni-Moalumina) perderatildeo a sua atividade em alguns

dias quando em contato com um resiacuteduo de petroacuteleo nas condiccedilotildees em que

poderiam funcionar bem durante vaacuterios anos em destilaccedilatildeo comercial de

hidroprocessamento (Oelderik 1989)

A cataacutelise foi praticada pela sociedade durante muitos anos sem que

tivesse o conhecimento dela como na fabricaccedilatildeo de vinhos e cervejas Atualmente

os catalisadores satildeo usados para dinamizar a forma com que produzimos materiais

em nosso ambiente sendo que seu impacto eacute substancial Induacutestrias quiacutemicas e

refinarias de petroacuteleo satildeo interconectadas com a induacutestria de catalisadores

(Armor 2011)

A concentraccedilatildeo do enxofre no oacuteleo varia de 02 (Golfo Peacutersico) a 4

(Meacutexico e Venezuela) O enxofre adveacutem de mercaptanas dissulfetos e aacutecido

sulfiacutedrico que lixiviaram para o oacuteleo Oacuteleos com elevada concentraccedilatildeo de enxofre

tecircm maior impacto nas operaccedilotildees da refinaria em funccedilatildeo dos seus efeitos

corrosivos As mercaptanas tecircm limite olfativo de partes por bilhatildeo (ppb) e

representam um seacuterio problema ambiental (Burgess 1997)

15

Por muitos anos utilizou-se aacutecido sulfuacuterico para extrair compostos agrave

base de enxofre gerando lodo aacutecido que exigia tratamento preacutevio agrave disposiccedilatildeo O

aacutecido sulfuacuterico foi substituiacutedo por aacutecido fluoriacutedrico Esses meacutetodos aacutecidos estatildeo

sendo substituiacutedos por teacutecnicas cataliacuteticas usando niacutequel cobalto e catalisadores

agrave base de molibdecircnio em gracircnulos pellets ou poacute dessulfuraccedilatildeo cataliacutetica ou

hidrotratamento (Burgess 1997)

O catalisador de FCC eacute composto basicamente por oacutexido de alumiacutenio

(AI2O3) e oacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) O processo de FCC tem como principal objetivo a

produccedilatildeo de nafta de alta octanagem e Gaacutes Liquefeito do Petroacuteleo (GLP) Jaacute o

catalisador de HCC eacute constituiacutedo de um suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) no

qual se depositam oacutexidos de niacutequel-molibdecircnio (NiO-MoO) O processo de HCC

ocorre na presenccedila do catalisador altas temperaturas e pressotildees e presenccedila de

grandes volumes de hidrogecircnio (Abadie 2002)

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte dos catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos

Oacuteleos crus satildeo misturas coloidais de diversos hidrocarbonetos Variam

de condensados leves altamente volaacuteteis e de baixas massas molares a pesadas

densos e altamente viscosos (oacuteleo pesado e betume) com uma tendecircncia de

elevada massa molar Oacuteleos pesados e crus normalmente possuem mais enxofre

nitrogecircnio e metais e satildeo vendidos com um desconto significativo aos oacuteleos leves

crus por exemplo os oacuteleos West Texas Intermediate (NationalEnergy Technology

Laboratory 2005)

Pesquisas em radiaccedilatildeo aplicadas ao petroacuteleo vem sendo estudadas

pelas maiores companhias petroliacuteferas desde 1950 Amplas variedades de fontes

radioativas a fontes de alta energia estatildeo sendo exploradas tais como emissatildeo de

necircutrons eleacutetrons raios gama partiacuteculas beta e produtos de fissatildeo

16

Capiacutetulo 2

OBJETIVO

O presente trabalho tem como objetivo estudar os efeitos das radiaccedilotildees

ionizantes (raios gama e feixe de eleacutetrons) nos catalisadores desativados de Fluid

Catalytic Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) para se viabilizar a

extraccedilatildeo de elementos quiacutemicos de alto valor agregado No caso dos catalisadores

de FCC tecircm-se como meta a extraccedilatildeo do lantacircnio (La203) a regeneraccedilatildeo e

utilizaccedilatildeo dos catalisadores jaacute para o catalisador de HCC a extraccedilatildeo do molibdecircnio

(M0O3)

17

Capiacutetulo 3

REVISAtildeO DA LITERATURA

31 A cataacutelise e o petroacuteleo

A primeira etapa de destilaccedilatildeo ocorre a pressatildeo atmosfeacuterica seguindo-

se uma seacuterie de estaacutegios com a retirada de aacutegua e dessalinizaccedilatildeo onde o oacuteleo eacute

processado em caldeiras para a vaporizaccedilatildeo parcial Eacute aquecido entre 340 degC a

345 degC antes do fracionamento O oacuteleo aquecido entra na torre de destilaccedilatildeo em

duas fraccedilotildees o vapor comeccedila a subir enquanto o petroacuteleo bruto reduzido natildeo

vaporizado eacute retirado pelo fundo da torre para o processamento de uma unidade

de destilaccedilatildeo a vaacutecuo O vapor resfria-se agrave medida que ascende e as fracccedilotildees de

elevado ponto de ebuliccedilatildeo se condensam nos pratos mais baixos Esse vapor

conteacutem alta porcentagem de hidrocarbonetos recuperaacuteveis com liacutequido

O gaacutes (gasoacuteleo) proveniente da destilaccedilatildeo simples e a vaacutecuo pode ser

processado no craqueamento cataliacutetico para produzir olefinas diolefinas

hidrocarbonetos aromaacuteticos e nafteno O oacuteleo pesado e o gasoacuteleo vatildeo para o

craqueador cataliacutetico entre 470 degC a 550 degC e de 689 kPa a 2067 kPa (10 Psi a

30 Psi) e por meio da interaccedilatildeo com os catalisadores (zeoacutelitas alumina-silicatos

argila em pellets ou poacute) 50 a 80 eacute craqueado em gasolina e em oacuteleo

combustiacutevel leve e pesado

Uma caracteriacutestica da operaccedilatildeo eacute a formaccedilatildeo de elevada porcentagem

de compostos aromaacuteticos A superfiacutecie do catalisador fica recoberta de depoacutesitos

de carbono leve e deve ser regenerada mediante aquecimento entre 540 degC a

650 degC em contato com o ar

18

Os destilados e o querosene cru satildeo tratados na planta de hidrogenaccedilatildeo

para conversatildeo destas matrizes em produtos de ponto de ebuliccedilatildeo mais baixos No

primeiro estaacutegio da operaccedilatildeo a 300 degC e pressatildeo de 206843 kPa (3000 Psi)

enxofre e nitrogecircnio satildeo removidos O craqueamento ocorre no segundo estaacutegio

no berccedilo cataliacutetico de cobalto-molibdecircnio ou cobalto-niacutequel em temperatura de

315 degC e pressatildeo de 103421 kPa (1500 Psi) Produtos apresentando larga faixa

de ebuliccedilatildeo satildeo formados e podem ser fracionados em produtos uacuteteis querosene

oacuteleo diesel e oacuteleo combustiacutevel leve

A nafta pesada contendo naftenos e parafinas eacute processada por meio

de unidades de reforma cataliacutetica que convertem o material a hidrocarbonetos

aromaacuteticos Esse processo eacute conduzido em temperatura elevada utilizando-se

como catalisador a platina o palaacutedio ou o niacutequel-cobalto O produto eacute utilizado

diretamente na refinaria para melhorar a octanagem da gasolina ou vendido para

petroquiacutemicas (Burgess 1997)

Em teoria as operaccedilotildees unitaacuterias da refinaccedilatildeo do oacuteleo parecem simples

na pratica satildeo bastante complicadas Uma refinaria consiste em uma ou mais

unidades aleacutem da unidade de destilaccedilatildeo que compreendem forno calefator de

oacuteleo torre de fracionamento retificadores a vapor equipamento de troca teacutermica

resfriadores e condensadores tambores de acumulo na unidade agitadores

descontiacutenuos ou unidade a tanquefechado de operaccedilatildeo continua (trata os produtos

e remove compostos nocivos de enxofre e atribui aos produtos uma cor aceitaacutevel)

filtros tanques de homogeneizaccedilatildeo e mistura da carga sistema de dutos para

recepccedilatildeo do oacuteleo cru bombas para transferecircncia dos oacuteleos e para carga e

embarque dos produtos tanques de estocagem do suprimento de oacuteleo e dos

produtos acabados sistema de recuperaccedilatildeo de vapor e diversos auxiliares

Deve-se incluir tambeacutem uma usina para geraccedilatildeo de vapor e

possivelmente de luz e eletricidade Na operaccedilatildeo dessa grande entidade os

balanccedilos de calor de energia e de massa satildeo da maior importacircncia para se

manterem riacutegidos controles de todas as etapas de processamento do oacuteleo

19

Na FIG 1 eacute mostrada uma representaccedilatildeo esquemaacutetica que exemplifica

um sistema baacutesico de refino com a separaccedilatildeo do oacuteleo cru nas diversas fraccedilotildees e

o tratamento subsequumlente de cada fraccedilatildeo os vaacuterios produtos satildeo removidos da

torre de oacuteleo cru conforme diagrama (Shreve 1977)

Gagraves

_ L xx fT ^

1 Oacuteleo cru

DESTILACcedilAtildeO DO OacuteLEO

CRU

As diversas operaccedilotildees e os vaacuterios produtos dependem da espeacuteice de oacuteleo que estaacute sendo destilada

Gasolina destilada

Nafta

REFORMA CATALITICA

Gasolina destilada

Gasolina de alta octanagem

S

uumlas liqueteito de petrograveleo

RECUPERACAtildeO DE GAacuteS Eacute

ESTABILIZACAtildeO DE GASOLINA

Isobutano

Butano

m ogt m ltigt

raquo c t l

Querosene ou oacuteleo combustiacutevel leve uuml

Gasoacuteleo

Gasoacuteleo i

Residuo

Residuo asfaacuteltico

Resiacuteduo de

lubrificante

pesaao

DESTILACcedilAtildeO ATMOSFEacuteRICA OU A VAacuteCUO

DESTILACAO A VAacuteCUO

DESTILACcedilAtildeO A VAacuteCULO

O l

r^ r CRAQUEAMENTO CATALIacuteTICO

1

-

Oleo 0U (

de fornalha )leo Diesel

Oleos combustiveis pesados

Oleo combustivel pesado

Asf 1105

diams Gasoacuteleo pesado

Oleo lubrificante destilado

Residuo de oacuteleo lubrificante

REFINA-CcedilAgraveOA SOL-

VFNTF

REFINA-CcedilAtildeOA SOL-

VENTE

ISOMERIZACcedilAtildeO

POLIME-RIZACcedilAtildeO

ALQUI-LACcedilAtildeO

Gasolina estabilizada

o Dusobuteno 8

(S s

HIDRO-GENACcedilIacuteO

o

d) 7 1 5 E -lt2 S

o

5

lt

ts S

HOMOGE

8

rmdash

NEIZACcedilAO Querosene

Oacuteleo de fornalha leve

Oacuteleo de fornalha

Oacuteleo Diesel

Oacuteleos combustiacuteveis pesados

Asfalto

1 amp iacute 8 o

DESPARA-FINACcedilAtildeO DESCO-

RAMENTO

Oleos lubrifican Oacuteleos

tes

Parafina O 1 1

HOMOGE-NEIZACAO

E EMBA-LAGEM

USINA DE REFINA-CAtildeODE

PAacuteRAFINA

Asfaltos

raquo-

mdashyen

mdash

mdash gt gt

Parafmas refinadas

Cozinha

Aeronaves

Automoacuteveis

Sitios e fazendas

Aquecimento domecircstico

Estradas de ferro

Faacutebricas

Embarcaccedilotildees

Estradas

Papel parafinado

Fonte Shreve 1977p593

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos comercializaacuteveis

21

32 Craqueamento cataliacutetico

O craqueamento cataliacutetico eacute um processo de quebra molecular Sua

carga eacute uma mistura de gasoacuteleo de vaacutecuo e oacuteleo desasfaltado que submetida a

condiccedilotildees bastante severas em presenccedila do catalisador eacute transformada em vaacuterias

outras fraccedilotildees mais leves produzindo gaacutes combustiacutevel gaacutes liquefeito nafta

gasoacuteleo leve (oacuteleo diesel de craqueamento) e gasoacuteleo pesado de craqueamento

(oacuteleo combustiacutevel) As reaccedilotildees produzem tambeacutem coque que se deposita no

catalisador e eacute queimado quando na regeneraccedilatildeo desse uacuteltimo gerando gaacutes de

combustatildeo de alto conteuacutedo energeacutetico usado na geraccedilatildeo de vapor de aacutegua de

alta pressatildeo

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial tomando

um notaacutevel impulso com este conflito em face agrave grande necessidade dos aliados

em relaccedilatildeo a suprimentos de gasolina e material petroquiacutemico para suas tropas

Com o fim da guerra o craqueamento cataliacutetico firmou-se principalmente em

funccedilatildeo da produccedilatildeo de nafta em maior quantidade de melhor qualidade e com

custos de produccedilatildeo bem inferiores aos outros processos existentes na eacutepoca

Eacute um processo destinado por excelecircncia agrave produccedilatildeo de nafta de alta

octanagem o derivado que aparece em maior quantidade de 50 a 65 do

volume em relaccedilatildeo agrave carga processada O segundo derivado em maior proporccedilatildeo

eacute o gaacutes liquefeito de petroacuteleo (GLP) de 25 a 40 do volume em relaccedilatildeo agrave carga

Em menores rendimentos temos tambeacutem o oacuteleo diesel de craqueamento Light

Cycle 07 (LCO) o oacuteleo combustiacutevel de craqueamento (oacuteleo decantado ou

clarificado) o gaacutes combustiacutevel e o gaacutes sulfiacutedrico (H2S) O coque gerado eacute

depositado no catalisadore queimado na regeneraccedilatildeo

A grande necessidade nacional de produccedilatildeo de GLP e principalmente

de gasolina ateacute o final dos anos setenta fez com que a PETROBRAS instalasse

este processo em todas as suas refinarias O craqueamento cataliacutetico tambeacutem

conhecido como Fluid Catalytic Cracking (FCC) eacute um processo de grande

versatilidade e de elevada rentabilidade no quadro atual do refino embora seja

tambeacutem uma unidade de alto investimento para sua implantaccedilatildeo (Abadie 2002)

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 9: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

SUMAacuteRIO

Paacutegina

Capiacutetulo 1 14 INTRODUCcedilAtildeO 14 Capiacutetulo2 16

OBJETIVO 16 Capiacutetulo3 17 REVISAtildeO DA LITERATURA 17

31 Acataacutelise e o petroacuteleo 17

32 Craqueamento cataliacutetico 21

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico 22

34 Catalisadores e o meio ambiente 24

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees 25

351 Radiaccedilatildeo ionizante 26

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada 26

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo 27

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel 29

Capiacutetulo4 31 MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS 31

41 Teacutecnicas experimentais 31

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial 32

421 Catalisador de FCC 35

4211 Anaacutelises iniciais 35

4212 Preparo das amostras 39

4213 Resultados e discussatildeo 42

422 Catalisador de HCC 53

4221 Anaacutelises iniciais 53

4222 Preparo das amostras 56

4223 Resultados e discussatildeo 60

Capiacutetulootilde 67 CONCLUSAtildeO 67 Trabalhos futuros 68 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 69

LISTA DE FIGURAS

Paacutegina

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos

comercializaacuteveis 20

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de

Radiation-Thermal Treatment(RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partir

de resiacuteduos soacutelidos de catalisadores 29

FIGURA3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

32

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado

do leito inferior e c) desativado do leito superior 34

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadorde FCC 35

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem e b) desativado 37

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem 38

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado 39

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado

a 20kGy por raios gama 43

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e

virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy

e 150kGy 44

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado

e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100

kGye 150 kGy 44

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio 45

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita 46

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita 46

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC

virgem desativado e contaminado com niacutequel 51

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem

contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy porfeixe de eleacutetrons e

tratado com diclorometano e desativado 52

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadordeHCC 53

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC

virgem e desativados do leito inferior e superior 54

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de

HCC do leito superior 55

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de

temperatura 57

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo

simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP 58

FIGURA22 -Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura 60

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito inferior 64

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito superior 64

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por

RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de

eleacutetronsde 13 MeV 65

FIGURA26 - Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento

do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT 66

LISTA DE TABELAS

Paacutegina

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC 33

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e

desativados do leito inferiore superior 34

TABELA 3-Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC 37

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por

feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico 47

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com

feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy 49

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados

(60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy porfeixe de eleacutetrons 50

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente 61

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de

3036 MGy 62

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos

catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior 63

14

Capiacutetulo 1

INTRODUCcedilAtildeO

Qualquer um que considere cataacutelise heterogecircnea como um aspecto da

ciecircncia de superfiacutecie e estude o comportamento das moleacuteculas em uma superfiacutecie

cataliacutetica natildeo eacute suscetiacutevel de ser atraiacutedo pela ideia de um bombeamento de resiacuteduo

de petroacuteleo ao longo de superfiacutecies cataliacuteticas limpas e cuidadosamente

caracterizadas Catalisadores projetados para dessulfurarfraccedilotildees de destilaccedilatildeo de

petroacuteleo (Co-Moalumina ou Ni-Moalumina) perderatildeo a sua atividade em alguns

dias quando em contato com um resiacuteduo de petroacuteleo nas condiccedilotildees em que

poderiam funcionar bem durante vaacuterios anos em destilaccedilatildeo comercial de

hidroprocessamento (Oelderik 1989)

A cataacutelise foi praticada pela sociedade durante muitos anos sem que

tivesse o conhecimento dela como na fabricaccedilatildeo de vinhos e cervejas Atualmente

os catalisadores satildeo usados para dinamizar a forma com que produzimos materiais

em nosso ambiente sendo que seu impacto eacute substancial Induacutestrias quiacutemicas e

refinarias de petroacuteleo satildeo interconectadas com a induacutestria de catalisadores

(Armor 2011)

A concentraccedilatildeo do enxofre no oacuteleo varia de 02 (Golfo Peacutersico) a 4

(Meacutexico e Venezuela) O enxofre adveacutem de mercaptanas dissulfetos e aacutecido

sulfiacutedrico que lixiviaram para o oacuteleo Oacuteleos com elevada concentraccedilatildeo de enxofre

tecircm maior impacto nas operaccedilotildees da refinaria em funccedilatildeo dos seus efeitos

corrosivos As mercaptanas tecircm limite olfativo de partes por bilhatildeo (ppb) e

representam um seacuterio problema ambiental (Burgess 1997)

15

Por muitos anos utilizou-se aacutecido sulfuacuterico para extrair compostos agrave

base de enxofre gerando lodo aacutecido que exigia tratamento preacutevio agrave disposiccedilatildeo O

aacutecido sulfuacuterico foi substituiacutedo por aacutecido fluoriacutedrico Esses meacutetodos aacutecidos estatildeo

sendo substituiacutedos por teacutecnicas cataliacuteticas usando niacutequel cobalto e catalisadores

agrave base de molibdecircnio em gracircnulos pellets ou poacute dessulfuraccedilatildeo cataliacutetica ou

hidrotratamento (Burgess 1997)

O catalisador de FCC eacute composto basicamente por oacutexido de alumiacutenio

(AI2O3) e oacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) O processo de FCC tem como principal objetivo a

produccedilatildeo de nafta de alta octanagem e Gaacutes Liquefeito do Petroacuteleo (GLP) Jaacute o

catalisador de HCC eacute constituiacutedo de um suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) no

qual se depositam oacutexidos de niacutequel-molibdecircnio (NiO-MoO) O processo de HCC

ocorre na presenccedila do catalisador altas temperaturas e pressotildees e presenccedila de

grandes volumes de hidrogecircnio (Abadie 2002)

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte dos catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos

Oacuteleos crus satildeo misturas coloidais de diversos hidrocarbonetos Variam

de condensados leves altamente volaacuteteis e de baixas massas molares a pesadas

densos e altamente viscosos (oacuteleo pesado e betume) com uma tendecircncia de

elevada massa molar Oacuteleos pesados e crus normalmente possuem mais enxofre

nitrogecircnio e metais e satildeo vendidos com um desconto significativo aos oacuteleos leves

crus por exemplo os oacuteleos West Texas Intermediate (NationalEnergy Technology

Laboratory 2005)

Pesquisas em radiaccedilatildeo aplicadas ao petroacuteleo vem sendo estudadas

pelas maiores companhias petroliacuteferas desde 1950 Amplas variedades de fontes

radioativas a fontes de alta energia estatildeo sendo exploradas tais como emissatildeo de

necircutrons eleacutetrons raios gama partiacuteculas beta e produtos de fissatildeo

16

Capiacutetulo 2

OBJETIVO

O presente trabalho tem como objetivo estudar os efeitos das radiaccedilotildees

ionizantes (raios gama e feixe de eleacutetrons) nos catalisadores desativados de Fluid

Catalytic Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) para se viabilizar a

extraccedilatildeo de elementos quiacutemicos de alto valor agregado No caso dos catalisadores

de FCC tecircm-se como meta a extraccedilatildeo do lantacircnio (La203) a regeneraccedilatildeo e

utilizaccedilatildeo dos catalisadores jaacute para o catalisador de HCC a extraccedilatildeo do molibdecircnio

(M0O3)

17

Capiacutetulo 3

REVISAtildeO DA LITERATURA

31 A cataacutelise e o petroacuteleo

A primeira etapa de destilaccedilatildeo ocorre a pressatildeo atmosfeacuterica seguindo-

se uma seacuterie de estaacutegios com a retirada de aacutegua e dessalinizaccedilatildeo onde o oacuteleo eacute

processado em caldeiras para a vaporizaccedilatildeo parcial Eacute aquecido entre 340 degC a

345 degC antes do fracionamento O oacuteleo aquecido entra na torre de destilaccedilatildeo em

duas fraccedilotildees o vapor comeccedila a subir enquanto o petroacuteleo bruto reduzido natildeo

vaporizado eacute retirado pelo fundo da torre para o processamento de uma unidade

de destilaccedilatildeo a vaacutecuo O vapor resfria-se agrave medida que ascende e as fracccedilotildees de

elevado ponto de ebuliccedilatildeo se condensam nos pratos mais baixos Esse vapor

conteacutem alta porcentagem de hidrocarbonetos recuperaacuteveis com liacutequido

O gaacutes (gasoacuteleo) proveniente da destilaccedilatildeo simples e a vaacutecuo pode ser

processado no craqueamento cataliacutetico para produzir olefinas diolefinas

hidrocarbonetos aromaacuteticos e nafteno O oacuteleo pesado e o gasoacuteleo vatildeo para o

craqueador cataliacutetico entre 470 degC a 550 degC e de 689 kPa a 2067 kPa (10 Psi a

30 Psi) e por meio da interaccedilatildeo com os catalisadores (zeoacutelitas alumina-silicatos

argila em pellets ou poacute) 50 a 80 eacute craqueado em gasolina e em oacuteleo

combustiacutevel leve e pesado

Uma caracteriacutestica da operaccedilatildeo eacute a formaccedilatildeo de elevada porcentagem

de compostos aromaacuteticos A superfiacutecie do catalisador fica recoberta de depoacutesitos

de carbono leve e deve ser regenerada mediante aquecimento entre 540 degC a

650 degC em contato com o ar

18

Os destilados e o querosene cru satildeo tratados na planta de hidrogenaccedilatildeo

para conversatildeo destas matrizes em produtos de ponto de ebuliccedilatildeo mais baixos No

primeiro estaacutegio da operaccedilatildeo a 300 degC e pressatildeo de 206843 kPa (3000 Psi)

enxofre e nitrogecircnio satildeo removidos O craqueamento ocorre no segundo estaacutegio

no berccedilo cataliacutetico de cobalto-molibdecircnio ou cobalto-niacutequel em temperatura de

315 degC e pressatildeo de 103421 kPa (1500 Psi) Produtos apresentando larga faixa

de ebuliccedilatildeo satildeo formados e podem ser fracionados em produtos uacuteteis querosene

oacuteleo diesel e oacuteleo combustiacutevel leve

A nafta pesada contendo naftenos e parafinas eacute processada por meio

de unidades de reforma cataliacutetica que convertem o material a hidrocarbonetos

aromaacuteticos Esse processo eacute conduzido em temperatura elevada utilizando-se

como catalisador a platina o palaacutedio ou o niacutequel-cobalto O produto eacute utilizado

diretamente na refinaria para melhorar a octanagem da gasolina ou vendido para

petroquiacutemicas (Burgess 1997)

Em teoria as operaccedilotildees unitaacuterias da refinaccedilatildeo do oacuteleo parecem simples

na pratica satildeo bastante complicadas Uma refinaria consiste em uma ou mais

unidades aleacutem da unidade de destilaccedilatildeo que compreendem forno calefator de

oacuteleo torre de fracionamento retificadores a vapor equipamento de troca teacutermica

resfriadores e condensadores tambores de acumulo na unidade agitadores

descontiacutenuos ou unidade a tanquefechado de operaccedilatildeo continua (trata os produtos

e remove compostos nocivos de enxofre e atribui aos produtos uma cor aceitaacutevel)

filtros tanques de homogeneizaccedilatildeo e mistura da carga sistema de dutos para

recepccedilatildeo do oacuteleo cru bombas para transferecircncia dos oacuteleos e para carga e

embarque dos produtos tanques de estocagem do suprimento de oacuteleo e dos

produtos acabados sistema de recuperaccedilatildeo de vapor e diversos auxiliares

Deve-se incluir tambeacutem uma usina para geraccedilatildeo de vapor e

possivelmente de luz e eletricidade Na operaccedilatildeo dessa grande entidade os

balanccedilos de calor de energia e de massa satildeo da maior importacircncia para se

manterem riacutegidos controles de todas as etapas de processamento do oacuteleo

19

Na FIG 1 eacute mostrada uma representaccedilatildeo esquemaacutetica que exemplifica

um sistema baacutesico de refino com a separaccedilatildeo do oacuteleo cru nas diversas fraccedilotildees e

o tratamento subsequumlente de cada fraccedilatildeo os vaacuterios produtos satildeo removidos da

torre de oacuteleo cru conforme diagrama (Shreve 1977)

Gagraves

_ L xx fT ^

1 Oacuteleo cru

DESTILACcedilAtildeO DO OacuteLEO

CRU

As diversas operaccedilotildees e os vaacuterios produtos dependem da espeacuteice de oacuteleo que estaacute sendo destilada

Gasolina destilada

Nafta

REFORMA CATALITICA

Gasolina destilada

Gasolina de alta octanagem

S

uumlas liqueteito de petrograveleo

RECUPERACAtildeO DE GAacuteS Eacute

ESTABILIZACAtildeO DE GASOLINA

Isobutano

Butano

m ogt m ltigt

raquo c t l

Querosene ou oacuteleo combustiacutevel leve uuml

Gasoacuteleo

Gasoacuteleo i

Residuo

Residuo asfaacuteltico

Resiacuteduo de

lubrificante

pesaao

DESTILACcedilAtildeO ATMOSFEacuteRICA OU A VAacuteCUO

DESTILACAO A VAacuteCUO

DESTILACcedilAtildeO A VAacuteCULO

O l

r^ r CRAQUEAMENTO CATALIacuteTICO

1

-

Oleo 0U (

de fornalha )leo Diesel

Oleos combustiveis pesados

Oleo combustivel pesado

Asf 1105

diams Gasoacuteleo pesado

Oleo lubrificante destilado

Residuo de oacuteleo lubrificante

REFINA-CcedilAgraveOA SOL-

VFNTF

REFINA-CcedilAtildeOA SOL-

VENTE

ISOMERIZACcedilAtildeO

POLIME-RIZACcedilAtildeO

ALQUI-LACcedilAtildeO

Gasolina estabilizada

o Dusobuteno 8

(S s

HIDRO-GENACcedilIacuteO

o

d) 7 1 5 E -lt2 S

o

5

lt

ts S

HOMOGE

8

rmdash

NEIZACcedilAO Querosene

Oacuteleo de fornalha leve

Oacuteleo de fornalha

Oacuteleo Diesel

Oacuteleos combustiacuteveis pesados

Asfalto

1 amp iacute 8 o

DESPARA-FINACcedilAtildeO DESCO-

RAMENTO

Oleos lubrifican Oacuteleos

tes

Parafina O 1 1

HOMOGE-NEIZACAO

E EMBA-LAGEM

USINA DE REFINA-CAtildeODE

PAacuteRAFINA

Asfaltos

raquo-

mdashyen

mdash

mdash gt gt

Parafmas refinadas

Cozinha

Aeronaves

Automoacuteveis

Sitios e fazendas

Aquecimento domecircstico

Estradas de ferro

Faacutebricas

Embarcaccedilotildees

Estradas

Papel parafinado

Fonte Shreve 1977p593

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos comercializaacuteveis

21

32 Craqueamento cataliacutetico

O craqueamento cataliacutetico eacute um processo de quebra molecular Sua

carga eacute uma mistura de gasoacuteleo de vaacutecuo e oacuteleo desasfaltado que submetida a

condiccedilotildees bastante severas em presenccedila do catalisador eacute transformada em vaacuterias

outras fraccedilotildees mais leves produzindo gaacutes combustiacutevel gaacutes liquefeito nafta

gasoacuteleo leve (oacuteleo diesel de craqueamento) e gasoacuteleo pesado de craqueamento

(oacuteleo combustiacutevel) As reaccedilotildees produzem tambeacutem coque que se deposita no

catalisador e eacute queimado quando na regeneraccedilatildeo desse uacuteltimo gerando gaacutes de

combustatildeo de alto conteuacutedo energeacutetico usado na geraccedilatildeo de vapor de aacutegua de

alta pressatildeo

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial tomando

um notaacutevel impulso com este conflito em face agrave grande necessidade dos aliados

em relaccedilatildeo a suprimentos de gasolina e material petroquiacutemico para suas tropas

Com o fim da guerra o craqueamento cataliacutetico firmou-se principalmente em

funccedilatildeo da produccedilatildeo de nafta em maior quantidade de melhor qualidade e com

custos de produccedilatildeo bem inferiores aos outros processos existentes na eacutepoca

Eacute um processo destinado por excelecircncia agrave produccedilatildeo de nafta de alta

octanagem o derivado que aparece em maior quantidade de 50 a 65 do

volume em relaccedilatildeo agrave carga processada O segundo derivado em maior proporccedilatildeo

eacute o gaacutes liquefeito de petroacuteleo (GLP) de 25 a 40 do volume em relaccedilatildeo agrave carga

Em menores rendimentos temos tambeacutem o oacuteleo diesel de craqueamento Light

Cycle 07 (LCO) o oacuteleo combustiacutevel de craqueamento (oacuteleo decantado ou

clarificado) o gaacutes combustiacutevel e o gaacutes sulfiacutedrico (H2S) O coque gerado eacute

depositado no catalisadore queimado na regeneraccedilatildeo

A grande necessidade nacional de produccedilatildeo de GLP e principalmente

de gasolina ateacute o final dos anos setenta fez com que a PETROBRAS instalasse

este processo em todas as suas refinarias O craqueamento cataliacutetico tambeacutem

conhecido como Fluid Catalytic Cracking (FCC) eacute um processo de grande

versatilidade e de elevada rentabilidade no quadro atual do refino embora seja

tambeacutem uma unidade de alto investimento para sua implantaccedilatildeo (Abadie 2002)

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 10: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

Capiacutetulootilde 67 CONCLUSAtildeO 67 Trabalhos futuros 68 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 69

LISTA DE FIGURAS

Paacutegina

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos

comercializaacuteveis 20

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de

Radiation-Thermal Treatment(RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partir

de resiacuteduos soacutelidos de catalisadores 29

FIGURA3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

32

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado

do leito inferior e c) desativado do leito superior 34

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadorde FCC 35

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem e b) desativado 37

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem 38

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado 39

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado

a 20kGy por raios gama 43

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e

virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy

e 150kGy 44

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado

e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100

kGye 150 kGy 44

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio 45

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita 46

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita 46

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC

virgem desativado e contaminado com niacutequel 51

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem

contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy porfeixe de eleacutetrons e

tratado com diclorometano e desativado 52

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadordeHCC 53

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC

virgem e desativados do leito inferior e superior 54

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de

HCC do leito superior 55

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de

temperatura 57

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo

simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP 58

FIGURA22 -Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura 60

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito inferior 64

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito superior 64

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por

RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de

eleacutetronsde 13 MeV 65

FIGURA26 - Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento

do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT 66

LISTA DE TABELAS

Paacutegina

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC 33

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e

desativados do leito inferiore superior 34

TABELA 3-Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC 37

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por

feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico 47

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com

feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy 49

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados

(60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy porfeixe de eleacutetrons 50

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente 61

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de

3036 MGy 62

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos

catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior 63

14

Capiacutetulo 1

INTRODUCcedilAtildeO

Qualquer um que considere cataacutelise heterogecircnea como um aspecto da

ciecircncia de superfiacutecie e estude o comportamento das moleacuteculas em uma superfiacutecie

cataliacutetica natildeo eacute suscetiacutevel de ser atraiacutedo pela ideia de um bombeamento de resiacuteduo

de petroacuteleo ao longo de superfiacutecies cataliacuteticas limpas e cuidadosamente

caracterizadas Catalisadores projetados para dessulfurarfraccedilotildees de destilaccedilatildeo de

petroacuteleo (Co-Moalumina ou Ni-Moalumina) perderatildeo a sua atividade em alguns

dias quando em contato com um resiacuteduo de petroacuteleo nas condiccedilotildees em que

poderiam funcionar bem durante vaacuterios anos em destilaccedilatildeo comercial de

hidroprocessamento (Oelderik 1989)

A cataacutelise foi praticada pela sociedade durante muitos anos sem que

tivesse o conhecimento dela como na fabricaccedilatildeo de vinhos e cervejas Atualmente

os catalisadores satildeo usados para dinamizar a forma com que produzimos materiais

em nosso ambiente sendo que seu impacto eacute substancial Induacutestrias quiacutemicas e

refinarias de petroacuteleo satildeo interconectadas com a induacutestria de catalisadores

(Armor 2011)

A concentraccedilatildeo do enxofre no oacuteleo varia de 02 (Golfo Peacutersico) a 4

(Meacutexico e Venezuela) O enxofre adveacutem de mercaptanas dissulfetos e aacutecido

sulfiacutedrico que lixiviaram para o oacuteleo Oacuteleos com elevada concentraccedilatildeo de enxofre

tecircm maior impacto nas operaccedilotildees da refinaria em funccedilatildeo dos seus efeitos

corrosivos As mercaptanas tecircm limite olfativo de partes por bilhatildeo (ppb) e

representam um seacuterio problema ambiental (Burgess 1997)

15

Por muitos anos utilizou-se aacutecido sulfuacuterico para extrair compostos agrave

base de enxofre gerando lodo aacutecido que exigia tratamento preacutevio agrave disposiccedilatildeo O

aacutecido sulfuacuterico foi substituiacutedo por aacutecido fluoriacutedrico Esses meacutetodos aacutecidos estatildeo

sendo substituiacutedos por teacutecnicas cataliacuteticas usando niacutequel cobalto e catalisadores

agrave base de molibdecircnio em gracircnulos pellets ou poacute dessulfuraccedilatildeo cataliacutetica ou

hidrotratamento (Burgess 1997)

O catalisador de FCC eacute composto basicamente por oacutexido de alumiacutenio

(AI2O3) e oacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) O processo de FCC tem como principal objetivo a

produccedilatildeo de nafta de alta octanagem e Gaacutes Liquefeito do Petroacuteleo (GLP) Jaacute o

catalisador de HCC eacute constituiacutedo de um suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) no

qual se depositam oacutexidos de niacutequel-molibdecircnio (NiO-MoO) O processo de HCC

ocorre na presenccedila do catalisador altas temperaturas e pressotildees e presenccedila de

grandes volumes de hidrogecircnio (Abadie 2002)

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte dos catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos

Oacuteleos crus satildeo misturas coloidais de diversos hidrocarbonetos Variam

de condensados leves altamente volaacuteteis e de baixas massas molares a pesadas

densos e altamente viscosos (oacuteleo pesado e betume) com uma tendecircncia de

elevada massa molar Oacuteleos pesados e crus normalmente possuem mais enxofre

nitrogecircnio e metais e satildeo vendidos com um desconto significativo aos oacuteleos leves

crus por exemplo os oacuteleos West Texas Intermediate (NationalEnergy Technology

Laboratory 2005)

Pesquisas em radiaccedilatildeo aplicadas ao petroacuteleo vem sendo estudadas

pelas maiores companhias petroliacuteferas desde 1950 Amplas variedades de fontes

radioativas a fontes de alta energia estatildeo sendo exploradas tais como emissatildeo de

necircutrons eleacutetrons raios gama partiacuteculas beta e produtos de fissatildeo

16

Capiacutetulo 2

OBJETIVO

O presente trabalho tem como objetivo estudar os efeitos das radiaccedilotildees

ionizantes (raios gama e feixe de eleacutetrons) nos catalisadores desativados de Fluid

Catalytic Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) para se viabilizar a

extraccedilatildeo de elementos quiacutemicos de alto valor agregado No caso dos catalisadores

de FCC tecircm-se como meta a extraccedilatildeo do lantacircnio (La203) a regeneraccedilatildeo e

utilizaccedilatildeo dos catalisadores jaacute para o catalisador de HCC a extraccedilatildeo do molibdecircnio

(M0O3)

17

Capiacutetulo 3

REVISAtildeO DA LITERATURA

31 A cataacutelise e o petroacuteleo

A primeira etapa de destilaccedilatildeo ocorre a pressatildeo atmosfeacuterica seguindo-

se uma seacuterie de estaacutegios com a retirada de aacutegua e dessalinizaccedilatildeo onde o oacuteleo eacute

processado em caldeiras para a vaporizaccedilatildeo parcial Eacute aquecido entre 340 degC a

345 degC antes do fracionamento O oacuteleo aquecido entra na torre de destilaccedilatildeo em

duas fraccedilotildees o vapor comeccedila a subir enquanto o petroacuteleo bruto reduzido natildeo

vaporizado eacute retirado pelo fundo da torre para o processamento de uma unidade

de destilaccedilatildeo a vaacutecuo O vapor resfria-se agrave medida que ascende e as fracccedilotildees de

elevado ponto de ebuliccedilatildeo se condensam nos pratos mais baixos Esse vapor

conteacutem alta porcentagem de hidrocarbonetos recuperaacuteveis com liacutequido

O gaacutes (gasoacuteleo) proveniente da destilaccedilatildeo simples e a vaacutecuo pode ser

processado no craqueamento cataliacutetico para produzir olefinas diolefinas

hidrocarbonetos aromaacuteticos e nafteno O oacuteleo pesado e o gasoacuteleo vatildeo para o

craqueador cataliacutetico entre 470 degC a 550 degC e de 689 kPa a 2067 kPa (10 Psi a

30 Psi) e por meio da interaccedilatildeo com os catalisadores (zeoacutelitas alumina-silicatos

argila em pellets ou poacute) 50 a 80 eacute craqueado em gasolina e em oacuteleo

combustiacutevel leve e pesado

Uma caracteriacutestica da operaccedilatildeo eacute a formaccedilatildeo de elevada porcentagem

de compostos aromaacuteticos A superfiacutecie do catalisador fica recoberta de depoacutesitos

de carbono leve e deve ser regenerada mediante aquecimento entre 540 degC a

650 degC em contato com o ar

18

Os destilados e o querosene cru satildeo tratados na planta de hidrogenaccedilatildeo

para conversatildeo destas matrizes em produtos de ponto de ebuliccedilatildeo mais baixos No

primeiro estaacutegio da operaccedilatildeo a 300 degC e pressatildeo de 206843 kPa (3000 Psi)

enxofre e nitrogecircnio satildeo removidos O craqueamento ocorre no segundo estaacutegio

no berccedilo cataliacutetico de cobalto-molibdecircnio ou cobalto-niacutequel em temperatura de

315 degC e pressatildeo de 103421 kPa (1500 Psi) Produtos apresentando larga faixa

de ebuliccedilatildeo satildeo formados e podem ser fracionados em produtos uacuteteis querosene

oacuteleo diesel e oacuteleo combustiacutevel leve

A nafta pesada contendo naftenos e parafinas eacute processada por meio

de unidades de reforma cataliacutetica que convertem o material a hidrocarbonetos

aromaacuteticos Esse processo eacute conduzido em temperatura elevada utilizando-se

como catalisador a platina o palaacutedio ou o niacutequel-cobalto O produto eacute utilizado

diretamente na refinaria para melhorar a octanagem da gasolina ou vendido para

petroquiacutemicas (Burgess 1997)

Em teoria as operaccedilotildees unitaacuterias da refinaccedilatildeo do oacuteleo parecem simples

na pratica satildeo bastante complicadas Uma refinaria consiste em uma ou mais

unidades aleacutem da unidade de destilaccedilatildeo que compreendem forno calefator de

oacuteleo torre de fracionamento retificadores a vapor equipamento de troca teacutermica

resfriadores e condensadores tambores de acumulo na unidade agitadores

descontiacutenuos ou unidade a tanquefechado de operaccedilatildeo continua (trata os produtos

e remove compostos nocivos de enxofre e atribui aos produtos uma cor aceitaacutevel)

filtros tanques de homogeneizaccedilatildeo e mistura da carga sistema de dutos para

recepccedilatildeo do oacuteleo cru bombas para transferecircncia dos oacuteleos e para carga e

embarque dos produtos tanques de estocagem do suprimento de oacuteleo e dos

produtos acabados sistema de recuperaccedilatildeo de vapor e diversos auxiliares

Deve-se incluir tambeacutem uma usina para geraccedilatildeo de vapor e

possivelmente de luz e eletricidade Na operaccedilatildeo dessa grande entidade os

balanccedilos de calor de energia e de massa satildeo da maior importacircncia para se

manterem riacutegidos controles de todas as etapas de processamento do oacuteleo

19

Na FIG 1 eacute mostrada uma representaccedilatildeo esquemaacutetica que exemplifica

um sistema baacutesico de refino com a separaccedilatildeo do oacuteleo cru nas diversas fraccedilotildees e

o tratamento subsequumlente de cada fraccedilatildeo os vaacuterios produtos satildeo removidos da

torre de oacuteleo cru conforme diagrama (Shreve 1977)

Gagraves

_ L xx fT ^

1 Oacuteleo cru

DESTILACcedilAtildeO DO OacuteLEO

CRU

As diversas operaccedilotildees e os vaacuterios produtos dependem da espeacuteice de oacuteleo que estaacute sendo destilada

Gasolina destilada

Nafta

REFORMA CATALITICA

Gasolina destilada

Gasolina de alta octanagem

S

uumlas liqueteito de petrograveleo

RECUPERACAtildeO DE GAacuteS Eacute

ESTABILIZACAtildeO DE GASOLINA

Isobutano

Butano

m ogt m ltigt

raquo c t l

Querosene ou oacuteleo combustiacutevel leve uuml

Gasoacuteleo

Gasoacuteleo i

Residuo

Residuo asfaacuteltico

Resiacuteduo de

lubrificante

pesaao

DESTILACcedilAtildeO ATMOSFEacuteRICA OU A VAacuteCUO

DESTILACAO A VAacuteCUO

DESTILACcedilAtildeO A VAacuteCULO

O l

r^ r CRAQUEAMENTO CATALIacuteTICO

1

-

Oleo 0U (

de fornalha )leo Diesel

Oleos combustiveis pesados

Oleo combustivel pesado

Asf 1105

diams Gasoacuteleo pesado

Oleo lubrificante destilado

Residuo de oacuteleo lubrificante

REFINA-CcedilAgraveOA SOL-

VFNTF

REFINA-CcedilAtildeOA SOL-

VENTE

ISOMERIZACcedilAtildeO

POLIME-RIZACcedilAtildeO

ALQUI-LACcedilAtildeO

Gasolina estabilizada

o Dusobuteno 8

(S s

HIDRO-GENACcedilIacuteO

o

d) 7 1 5 E -lt2 S

o

5

lt

ts S

HOMOGE

8

rmdash

NEIZACcedilAO Querosene

Oacuteleo de fornalha leve

Oacuteleo de fornalha

Oacuteleo Diesel

Oacuteleos combustiacuteveis pesados

Asfalto

1 amp iacute 8 o

DESPARA-FINACcedilAtildeO DESCO-

RAMENTO

Oleos lubrifican Oacuteleos

tes

Parafina O 1 1

HOMOGE-NEIZACAO

E EMBA-LAGEM

USINA DE REFINA-CAtildeODE

PAacuteRAFINA

Asfaltos

raquo-

mdashyen

mdash

mdash gt gt

Parafmas refinadas

Cozinha

Aeronaves

Automoacuteveis

Sitios e fazendas

Aquecimento domecircstico

Estradas de ferro

Faacutebricas

Embarcaccedilotildees

Estradas

Papel parafinado

Fonte Shreve 1977p593

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos comercializaacuteveis

21

32 Craqueamento cataliacutetico

O craqueamento cataliacutetico eacute um processo de quebra molecular Sua

carga eacute uma mistura de gasoacuteleo de vaacutecuo e oacuteleo desasfaltado que submetida a

condiccedilotildees bastante severas em presenccedila do catalisador eacute transformada em vaacuterias

outras fraccedilotildees mais leves produzindo gaacutes combustiacutevel gaacutes liquefeito nafta

gasoacuteleo leve (oacuteleo diesel de craqueamento) e gasoacuteleo pesado de craqueamento

(oacuteleo combustiacutevel) As reaccedilotildees produzem tambeacutem coque que se deposita no

catalisador e eacute queimado quando na regeneraccedilatildeo desse uacuteltimo gerando gaacutes de

combustatildeo de alto conteuacutedo energeacutetico usado na geraccedilatildeo de vapor de aacutegua de

alta pressatildeo

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial tomando

um notaacutevel impulso com este conflito em face agrave grande necessidade dos aliados

em relaccedilatildeo a suprimentos de gasolina e material petroquiacutemico para suas tropas

Com o fim da guerra o craqueamento cataliacutetico firmou-se principalmente em

funccedilatildeo da produccedilatildeo de nafta em maior quantidade de melhor qualidade e com

custos de produccedilatildeo bem inferiores aos outros processos existentes na eacutepoca

Eacute um processo destinado por excelecircncia agrave produccedilatildeo de nafta de alta

octanagem o derivado que aparece em maior quantidade de 50 a 65 do

volume em relaccedilatildeo agrave carga processada O segundo derivado em maior proporccedilatildeo

eacute o gaacutes liquefeito de petroacuteleo (GLP) de 25 a 40 do volume em relaccedilatildeo agrave carga

Em menores rendimentos temos tambeacutem o oacuteleo diesel de craqueamento Light

Cycle 07 (LCO) o oacuteleo combustiacutevel de craqueamento (oacuteleo decantado ou

clarificado) o gaacutes combustiacutevel e o gaacutes sulfiacutedrico (H2S) O coque gerado eacute

depositado no catalisadore queimado na regeneraccedilatildeo

A grande necessidade nacional de produccedilatildeo de GLP e principalmente

de gasolina ateacute o final dos anos setenta fez com que a PETROBRAS instalasse

este processo em todas as suas refinarias O craqueamento cataliacutetico tambeacutem

conhecido como Fluid Catalytic Cracking (FCC) eacute um processo de grande

versatilidade e de elevada rentabilidade no quadro atual do refino embora seja

tambeacutem uma unidade de alto investimento para sua implantaccedilatildeo (Abadie 2002)

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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73

43 WOJCIECHOWSKI B W CORMA A Catalytic Cracking Catalyst Chemistry and Kinetics Chem Ind Ser n 25 New York Marcel Dekker Inc 1986 p 235

44 WOJNAacuteROVITS I Radiaton Chemistry Handbook of Nuclear Chemistry -Chemical applications of nuclear reactions and radiations 2003

45 YOUSSEF AM EL KHERBAWY M A SAMRA SE Effect of irradiation with gamma-rays on the surface and catalytic properties of SIacute02-AI203 and Li20-ompregnated SIacute02-AI203 systems Radiat Phys Chem p 559-563 Vol 40 1992

46 YOUSSEF AM EL-NABARAWY TH MOSTAFA MR Modification of surface properties of silica-alumina by irradiation with gamma-rays Radiat Phys Chem p 439 - 443 Vol 36 1990

47 YU ZS CHEN MB Rare Earth Elements and Their Applications Metallurgical Industry Press Beijing (PR China) 1995

48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 11: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

LISTA DE FIGURAS

Paacutegina

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos

comercializaacuteveis 20

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de

Radiation-Thermal Treatment(RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partir

de resiacuteduos soacutelidos de catalisadores 29

FIGURA3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

32

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado

do leito inferior e c) desativado do leito superior 34

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadorde FCC 35

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem e b) desativado 37

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem 38

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado 39

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC

a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado

a 20kGy por raios gama 43

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e

virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy

e 150kGy 44

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado

e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100

kGye 150 kGy 44

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio 45

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita 46

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita 46

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC

virgem desativado e contaminado com niacutequel 51

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem

contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy porfeixe de eleacutetrons e

tratado com diclorometano e desativado 52

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadordeHCC 53

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC

virgem e desativados do leito inferior e superior 54

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de

HCC do leito superior 55

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de

temperatura 57

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo

simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP 58

FIGURA22 -Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura 60

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito inferior 64

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito superior 64

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por

RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de

eleacutetronsde 13 MeV 65

FIGURA26 - Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento

do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT 66

LISTA DE TABELAS

Paacutegina

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC 33

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e

desativados do leito inferiore superior 34

TABELA 3-Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC 37

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por

feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico 47

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com

feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy 49

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados

(60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy porfeixe de eleacutetrons 50

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente 61

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de

3036 MGy 62

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos

catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior 63

14

Capiacutetulo 1

INTRODUCcedilAtildeO

Qualquer um que considere cataacutelise heterogecircnea como um aspecto da

ciecircncia de superfiacutecie e estude o comportamento das moleacuteculas em uma superfiacutecie

cataliacutetica natildeo eacute suscetiacutevel de ser atraiacutedo pela ideia de um bombeamento de resiacuteduo

de petroacuteleo ao longo de superfiacutecies cataliacuteticas limpas e cuidadosamente

caracterizadas Catalisadores projetados para dessulfurarfraccedilotildees de destilaccedilatildeo de

petroacuteleo (Co-Moalumina ou Ni-Moalumina) perderatildeo a sua atividade em alguns

dias quando em contato com um resiacuteduo de petroacuteleo nas condiccedilotildees em que

poderiam funcionar bem durante vaacuterios anos em destilaccedilatildeo comercial de

hidroprocessamento (Oelderik 1989)

A cataacutelise foi praticada pela sociedade durante muitos anos sem que

tivesse o conhecimento dela como na fabricaccedilatildeo de vinhos e cervejas Atualmente

os catalisadores satildeo usados para dinamizar a forma com que produzimos materiais

em nosso ambiente sendo que seu impacto eacute substancial Induacutestrias quiacutemicas e

refinarias de petroacuteleo satildeo interconectadas com a induacutestria de catalisadores

(Armor 2011)

A concentraccedilatildeo do enxofre no oacuteleo varia de 02 (Golfo Peacutersico) a 4

(Meacutexico e Venezuela) O enxofre adveacutem de mercaptanas dissulfetos e aacutecido

sulfiacutedrico que lixiviaram para o oacuteleo Oacuteleos com elevada concentraccedilatildeo de enxofre

tecircm maior impacto nas operaccedilotildees da refinaria em funccedilatildeo dos seus efeitos

corrosivos As mercaptanas tecircm limite olfativo de partes por bilhatildeo (ppb) e

representam um seacuterio problema ambiental (Burgess 1997)

15

Por muitos anos utilizou-se aacutecido sulfuacuterico para extrair compostos agrave

base de enxofre gerando lodo aacutecido que exigia tratamento preacutevio agrave disposiccedilatildeo O

aacutecido sulfuacuterico foi substituiacutedo por aacutecido fluoriacutedrico Esses meacutetodos aacutecidos estatildeo

sendo substituiacutedos por teacutecnicas cataliacuteticas usando niacutequel cobalto e catalisadores

agrave base de molibdecircnio em gracircnulos pellets ou poacute dessulfuraccedilatildeo cataliacutetica ou

hidrotratamento (Burgess 1997)

O catalisador de FCC eacute composto basicamente por oacutexido de alumiacutenio

(AI2O3) e oacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) O processo de FCC tem como principal objetivo a

produccedilatildeo de nafta de alta octanagem e Gaacutes Liquefeito do Petroacuteleo (GLP) Jaacute o

catalisador de HCC eacute constituiacutedo de um suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) no

qual se depositam oacutexidos de niacutequel-molibdecircnio (NiO-MoO) O processo de HCC

ocorre na presenccedila do catalisador altas temperaturas e pressotildees e presenccedila de

grandes volumes de hidrogecircnio (Abadie 2002)

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte dos catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos

Oacuteleos crus satildeo misturas coloidais de diversos hidrocarbonetos Variam

de condensados leves altamente volaacuteteis e de baixas massas molares a pesadas

densos e altamente viscosos (oacuteleo pesado e betume) com uma tendecircncia de

elevada massa molar Oacuteleos pesados e crus normalmente possuem mais enxofre

nitrogecircnio e metais e satildeo vendidos com um desconto significativo aos oacuteleos leves

crus por exemplo os oacuteleos West Texas Intermediate (NationalEnergy Technology

Laboratory 2005)

Pesquisas em radiaccedilatildeo aplicadas ao petroacuteleo vem sendo estudadas

pelas maiores companhias petroliacuteferas desde 1950 Amplas variedades de fontes

radioativas a fontes de alta energia estatildeo sendo exploradas tais como emissatildeo de

necircutrons eleacutetrons raios gama partiacuteculas beta e produtos de fissatildeo

16

Capiacutetulo 2

OBJETIVO

O presente trabalho tem como objetivo estudar os efeitos das radiaccedilotildees

ionizantes (raios gama e feixe de eleacutetrons) nos catalisadores desativados de Fluid

Catalytic Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) para se viabilizar a

extraccedilatildeo de elementos quiacutemicos de alto valor agregado No caso dos catalisadores

de FCC tecircm-se como meta a extraccedilatildeo do lantacircnio (La203) a regeneraccedilatildeo e

utilizaccedilatildeo dos catalisadores jaacute para o catalisador de HCC a extraccedilatildeo do molibdecircnio

(M0O3)

17

Capiacutetulo 3

REVISAtildeO DA LITERATURA

31 A cataacutelise e o petroacuteleo

A primeira etapa de destilaccedilatildeo ocorre a pressatildeo atmosfeacuterica seguindo-

se uma seacuterie de estaacutegios com a retirada de aacutegua e dessalinizaccedilatildeo onde o oacuteleo eacute

processado em caldeiras para a vaporizaccedilatildeo parcial Eacute aquecido entre 340 degC a

345 degC antes do fracionamento O oacuteleo aquecido entra na torre de destilaccedilatildeo em

duas fraccedilotildees o vapor comeccedila a subir enquanto o petroacuteleo bruto reduzido natildeo

vaporizado eacute retirado pelo fundo da torre para o processamento de uma unidade

de destilaccedilatildeo a vaacutecuo O vapor resfria-se agrave medida que ascende e as fracccedilotildees de

elevado ponto de ebuliccedilatildeo se condensam nos pratos mais baixos Esse vapor

conteacutem alta porcentagem de hidrocarbonetos recuperaacuteveis com liacutequido

O gaacutes (gasoacuteleo) proveniente da destilaccedilatildeo simples e a vaacutecuo pode ser

processado no craqueamento cataliacutetico para produzir olefinas diolefinas

hidrocarbonetos aromaacuteticos e nafteno O oacuteleo pesado e o gasoacuteleo vatildeo para o

craqueador cataliacutetico entre 470 degC a 550 degC e de 689 kPa a 2067 kPa (10 Psi a

30 Psi) e por meio da interaccedilatildeo com os catalisadores (zeoacutelitas alumina-silicatos

argila em pellets ou poacute) 50 a 80 eacute craqueado em gasolina e em oacuteleo

combustiacutevel leve e pesado

Uma caracteriacutestica da operaccedilatildeo eacute a formaccedilatildeo de elevada porcentagem

de compostos aromaacuteticos A superfiacutecie do catalisador fica recoberta de depoacutesitos

de carbono leve e deve ser regenerada mediante aquecimento entre 540 degC a

650 degC em contato com o ar

18

Os destilados e o querosene cru satildeo tratados na planta de hidrogenaccedilatildeo

para conversatildeo destas matrizes em produtos de ponto de ebuliccedilatildeo mais baixos No

primeiro estaacutegio da operaccedilatildeo a 300 degC e pressatildeo de 206843 kPa (3000 Psi)

enxofre e nitrogecircnio satildeo removidos O craqueamento ocorre no segundo estaacutegio

no berccedilo cataliacutetico de cobalto-molibdecircnio ou cobalto-niacutequel em temperatura de

315 degC e pressatildeo de 103421 kPa (1500 Psi) Produtos apresentando larga faixa

de ebuliccedilatildeo satildeo formados e podem ser fracionados em produtos uacuteteis querosene

oacuteleo diesel e oacuteleo combustiacutevel leve

A nafta pesada contendo naftenos e parafinas eacute processada por meio

de unidades de reforma cataliacutetica que convertem o material a hidrocarbonetos

aromaacuteticos Esse processo eacute conduzido em temperatura elevada utilizando-se

como catalisador a platina o palaacutedio ou o niacutequel-cobalto O produto eacute utilizado

diretamente na refinaria para melhorar a octanagem da gasolina ou vendido para

petroquiacutemicas (Burgess 1997)

Em teoria as operaccedilotildees unitaacuterias da refinaccedilatildeo do oacuteleo parecem simples

na pratica satildeo bastante complicadas Uma refinaria consiste em uma ou mais

unidades aleacutem da unidade de destilaccedilatildeo que compreendem forno calefator de

oacuteleo torre de fracionamento retificadores a vapor equipamento de troca teacutermica

resfriadores e condensadores tambores de acumulo na unidade agitadores

descontiacutenuos ou unidade a tanquefechado de operaccedilatildeo continua (trata os produtos

e remove compostos nocivos de enxofre e atribui aos produtos uma cor aceitaacutevel)

filtros tanques de homogeneizaccedilatildeo e mistura da carga sistema de dutos para

recepccedilatildeo do oacuteleo cru bombas para transferecircncia dos oacuteleos e para carga e

embarque dos produtos tanques de estocagem do suprimento de oacuteleo e dos

produtos acabados sistema de recuperaccedilatildeo de vapor e diversos auxiliares

Deve-se incluir tambeacutem uma usina para geraccedilatildeo de vapor e

possivelmente de luz e eletricidade Na operaccedilatildeo dessa grande entidade os

balanccedilos de calor de energia e de massa satildeo da maior importacircncia para se

manterem riacutegidos controles de todas as etapas de processamento do oacuteleo

19

Na FIG 1 eacute mostrada uma representaccedilatildeo esquemaacutetica que exemplifica

um sistema baacutesico de refino com a separaccedilatildeo do oacuteleo cru nas diversas fraccedilotildees e

o tratamento subsequumlente de cada fraccedilatildeo os vaacuterios produtos satildeo removidos da

torre de oacuteleo cru conforme diagrama (Shreve 1977)

Gagraves

_ L xx fT ^

1 Oacuteleo cru

DESTILACcedilAtildeO DO OacuteLEO

CRU

As diversas operaccedilotildees e os vaacuterios produtos dependem da espeacuteice de oacuteleo que estaacute sendo destilada

Gasolina destilada

Nafta

REFORMA CATALITICA

Gasolina destilada

Gasolina de alta octanagem

S

uumlas liqueteito de petrograveleo

RECUPERACAtildeO DE GAacuteS Eacute

ESTABILIZACAtildeO DE GASOLINA

Isobutano

Butano

m ogt m ltigt

raquo c t l

Querosene ou oacuteleo combustiacutevel leve uuml

Gasoacuteleo

Gasoacuteleo i

Residuo

Residuo asfaacuteltico

Resiacuteduo de

lubrificante

pesaao

DESTILACcedilAtildeO ATMOSFEacuteRICA OU A VAacuteCUO

DESTILACAO A VAacuteCUO

DESTILACcedilAtildeO A VAacuteCULO

O l

r^ r CRAQUEAMENTO CATALIacuteTICO

1

-

Oleo 0U (

de fornalha )leo Diesel

Oleos combustiveis pesados

Oleo combustivel pesado

Asf 1105

diams Gasoacuteleo pesado

Oleo lubrificante destilado

Residuo de oacuteleo lubrificante

REFINA-CcedilAgraveOA SOL-

VFNTF

REFINA-CcedilAtildeOA SOL-

VENTE

ISOMERIZACcedilAtildeO

POLIME-RIZACcedilAtildeO

ALQUI-LACcedilAtildeO

Gasolina estabilizada

o Dusobuteno 8

(S s

HIDRO-GENACcedilIacuteO

o

d) 7 1 5 E -lt2 S

o

5

lt

ts S

HOMOGE

8

rmdash

NEIZACcedilAO Querosene

Oacuteleo de fornalha leve

Oacuteleo de fornalha

Oacuteleo Diesel

Oacuteleos combustiacuteveis pesados

Asfalto

1 amp iacute 8 o

DESPARA-FINACcedilAtildeO DESCO-

RAMENTO

Oleos lubrifican Oacuteleos

tes

Parafina O 1 1

HOMOGE-NEIZACAO

E EMBA-LAGEM

USINA DE REFINA-CAtildeODE

PAacuteRAFINA

Asfaltos

raquo-

mdashyen

mdash

mdash gt gt

Parafmas refinadas

Cozinha

Aeronaves

Automoacuteveis

Sitios e fazendas

Aquecimento domecircstico

Estradas de ferro

Faacutebricas

Embarcaccedilotildees

Estradas

Papel parafinado

Fonte Shreve 1977p593

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos comercializaacuteveis

21

32 Craqueamento cataliacutetico

O craqueamento cataliacutetico eacute um processo de quebra molecular Sua

carga eacute uma mistura de gasoacuteleo de vaacutecuo e oacuteleo desasfaltado que submetida a

condiccedilotildees bastante severas em presenccedila do catalisador eacute transformada em vaacuterias

outras fraccedilotildees mais leves produzindo gaacutes combustiacutevel gaacutes liquefeito nafta

gasoacuteleo leve (oacuteleo diesel de craqueamento) e gasoacuteleo pesado de craqueamento

(oacuteleo combustiacutevel) As reaccedilotildees produzem tambeacutem coque que se deposita no

catalisador e eacute queimado quando na regeneraccedilatildeo desse uacuteltimo gerando gaacutes de

combustatildeo de alto conteuacutedo energeacutetico usado na geraccedilatildeo de vapor de aacutegua de

alta pressatildeo

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial tomando

um notaacutevel impulso com este conflito em face agrave grande necessidade dos aliados

em relaccedilatildeo a suprimentos de gasolina e material petroquiacutemico para suas tropas

Com o fim da guerra o craqueamento cataliacutetico firmou-se principalmente em

funccedilatildeo da produccedilatildeo de nafta em maior quantidade de melhor qualidade e com

custos de produccedilatildeo bem inferiores aos outros processos existentes na eacutepoca

Eacute um processo destinado por excelecircncia agrave produccedilatildeo de nafta de alta

octanagem o derivado que aparece em maior quantidade de 50 a 65 do

volume em relaccedilatildeo agrave carga processada O segundo derivado em maior proporccedilatildeo

eacute o gaacutes liquefeito de petroacuteleo (GLP) de 25 a 40 do volume em relaccedilatildeo agrave carga

Em menores rendimentos temos tambeacutem o oacuteleo diesel de craqueamento Light

Cycle 07 (LCO) o oacuteleo combustiacutevel de craqueamento (oacuteleo decantado ou

clarificado) o gaacutes combustiacutevel e o gaacutes sulfiacutedrico (H2S) O coque gerado eacute

depositado no catalisadore queimado na regeneraccedilatildeo

A grande necessidade nacional de produccedilatildeo de GLP e principalmente

de gasolina ateacute o final dos anos setenta fez com que a PETROBRAS instalasse

este processo em todas as suas refinarias O craqueamento cataliacutetico tambeacutem

conhecido como Fluid Catalytic Cracking (FCC) eacute um processo de grande

versatilidade e de elevada rentabilidade no quadro atual do refino embora seja

tambeacutem uma unidade de alto investimento para sua implantaccedilatildeo (Abadie 2002)

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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36 PAPINI CJ Estudo comparativo de meacutetodos de determinaccedilatildeo do tamanho de partiacutecula Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Ciecircncias na Aacuterea de Tecnologia Nuclear- Materiais) - Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares Universidade de Satildeo Paulo 2003

37 SALOMON M Folha de Satildeo Paulo em Brasiacutelia 04092008 Disponiacutevel em lt httpwwwnossasaopauloorgbrportalnode1135gt Acessado em 14deAbrilde2014

38 SHREVE RN Jr BRINK J A Induacutestria de Processos Quiacutemicos 4 ed Rio de Janeiro Guanabara 1977

39 SOLOVETSKII YUI PANTELEEV DM LUNIN VV High-Temperature Electron Irradiation and Radiation-Thermal Technology for Utilization Purification and Production ofSome Metals Radiation Physics Chemistry Vol52 1998

40 UPSON L L What FCC catalyst test show Hydroc Proc nov p 253-258 1981

41 VIERHEILIG AA Methods of Recovering Rare Earth Elements US PatentNo82630282012

42 WILSON J W Fluid Catalytic Cracking Technology and Operation Tulsa Pennwell Books 1997 p 323

73

43 WOJCIECHOWSKI B W CORMA A Catalytic Cracking Catalyst Chemistry and Kinetics Chem Ind Ser n 25 New York Marcel Dekker Inc 1986 p 235

44 WOJNAacuteROVITS I Radiaton Chemistry Handbook of Nuclear Chemistry -Chemical applications of nuclear reactions and radiations 2003

45 YOUSSEF AM EL KHERBAWY M A SAMRA SE Effect of irradiation with gamma-rays on the surface and catalytic properties of SIacute02-AI203 and Li20-ompregnated SIacute02-AI203 systems Radiat Phys Chem p 559-563 Vol 40 1992

46 YOUSSEF AM EL-NABARAWY TH MOSTAFA MR Modification of surface properties of silica-alumina by irradiation with gamma-rays Radiat Phys Chem p 439 - 443 Vol 36 1990

47 YU ZS CHEN MB Rare Earth Elements and Their Applications Metallurgical Industry Press Beijing (PR China) 1995

48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 12: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC

virgem desativado e contaminado com niacutequel 51

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem

contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy porfeixe de eleacutetrons e

tratado com diclorometano e desativado 52

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do

catalisadordeHCC 53

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC

virgem e desativados do leito inferior e superior 54

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de

HCC do leito superior 55

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de

temperatura 57

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo

simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP 58

FIGURA22 -Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura 60

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito inferior 64

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de

HCC desativado do leito superior 64

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por

RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de

eleacutetronsde 13 MeV 65

FIGURA26 - Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento

do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT 66

LISTA DE TABELAS

Paacutegina

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC 33

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e

desativados do leito inferiore superior 34

TABELA 3-Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC 37

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por

feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico 47

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com

feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy 49

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados

(60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy porfeixe de eleacutetrons 50

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente 61

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de

3036 MGy 62

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos

catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior 63

14

Capiacutetulo 1

INTRODUCcedilAtildeO

Qualquer um que considere cataacutelise heterogecircnea como um aspecto da

ciecircncia de superfiacutecie e estude o comportamento das moleacuteculas em uma superfiacutecie

cataliacutetica natildeo eacute suscetiacutevel de ser atraiacutedo pela ideia de um bombeamento de resiacuteduo

de petroacuteleo ao longo de superfiacutecies cataliacuteticas limpas e cuidadosamente

caracterizadas Catalisadores projetados para dessulfurarfraccedilotildees de destilaccedilatildeo de

petroacuteleo (Co-Moalumina ou Ni-Moalumina) perderatildeo a sua atividade em alguns

dias quando em contato com um resiacuteduo de petroacuteleo nas condiccedilotildees em que

poderiam funcionar bem durante vaacuterios anos em destilaccedilatildeo comercial de

hidroprocessamento (Oelderik 1989)

A cataacutelise foi praticada pela sociedade durante muitos anos sem que

tivesse o conhecimento dela como na fabricaccedilatildeo de vinhos e cervejas Atualmente

os catalisadores satildeo usados para dinamizar a forma com que produzimos materiais

em nosso ambiente sendo que seu impacto eacute substancial Induacutestrias quiacutemicas e

refinarias de petroacuteleo satildeo interconectadas com a induacutestria de catalisadores

(Armor 2011)

A concentraccedilatildeo do enxofre no oacuteleo varia de 02 (Golfo Peacutersico) a 4

(Meacutexico e Venezuela) O enxofre adveacutem de mercaptanas dissulfetos e aacutecido

sulfiacutedrico que lixiviaram para o oacuteleo Oacuteleos com elevada concentraccedilatildeo de enxofre

tecircm maior impacto nas operaccedilotildees da refinaria em funccedilatildeo dos seus efeitos

corrosivos As mercaptanas tecircm limite olfativo de partes por bilhatildeo (ppb) e

representam um seacuterio problema ambiental (Burgess 1997)

15

Por muitos anos utilizou-se aacutecido sulfuacuterico para extrair compostos agrave

base de enxofre gerando lodo aacutecido que exigia tratamento preacutevio agrave disposiccedilatildeo O

aacutecido sulfuacuterico foi substituiacutedo por aacutecido fluoriacutedrico Esses meacutetodos aacutecidos estatildeo

sendo substituiacutedos por teacutecnicas cataliacuteticas usando niacutequel cobalto e catalisadores

agrave base de molibdecircnio em gracircnulos pellets ou poacute dessulfuraccedilatildeo cataliacutetica ou

hidrotratamento (Burgess 1997)

O catalisador de FCC eacute composto basicamente por oacutexido de alumiacutenio

(AI2O3) e oacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) O processo de FCC tem como principal objetivo a

produccedilatildeo de nafta de alta octanagem e Gaacutes Liquefeito do Petroacuteleo (GLP) Jaacute o

catalisador de HCC eacute constituiacutedo de um suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) no

qual se depositam oacutexidos de niacutequel-molibdecircnio (NiO-MoO) O processo de HCC

ocorre na presenccedila do catalisador altas temperaturas e pressotildees e presenccedila de

grandes volumes de hidrogecircnio (Abadie 2002)

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte dos catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos

Oacuteleos crus satildeo misturas coloidais de diversos hidrocarbonetos Variam

de condensados leves altamente volaacuteteis e de baixas massas molares a pesadas

densos e altamente viscosos (oacuteleo pesado e betume) com uma tendecircncia de

elevada massa molar Oacuteleos pesados e crus normalmente possuem mais enxofre

nitrogecircnio e metais e satildeo vendidos com um desconto significativo aos oacuteleos leves

crus por exemplo os oacuteleos West Texas Intermediate (NationalEnergy Technology

Laboratory 2005)

Pesquisas em radiaccedilatildeo aplicadas ao petroacuteleo vem sendo estudadas

pelas maiores companhias petroliacuteferas desde 1950 Amplas variedades de fontes

radioativas a fontes de alta energia estatildeo sendo exploradas tais como emissatildeo de

necircutrons eleacutetrons raios gama partiacuteculas beta e produtos de fissatildeo

16

Capiacutetulo 2

OBJETIVO

O presente trabalho tem como objetivo estudar os efeitos das radiaccedilotildees

ionizantes (raios gama e feixe de eleacutetrons) nos catalisadores desativados de Fluid

Catalytic Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) para se viabilizar a

extraccedilatildeo de elementos quiacutemicos de alto valor agregado No caso dos catalisadores

de FCC tecircm-se como meta a extraccedilatildeo do lantacircnio (La203) a regeneraccedilatildeo e

utilizaccedilatildeo dos catalisadores jaacute para o catalisador de HCC a extraccedilatildeo do molibdecircnio

(M0O3)

17

Capiacutetulo 3

REVISAtildeO DA LITERATURA

31 A cataacutelise e o petroacuteleo

A primeira etapa de destilaccedilatildeo ocorre a pressatildeo atmosfeacuterica seguindo-

se uma seacuterie de estaacutegios com a retirada de aacutegua e dessalinizaccedilatildeo onde o oacuteleo eacute

processado em caldeiras para a vaporizaccedilatildeo parcial Eacute aquecido entre 340 degC a

345 degC antes do fracionamento O oacuteleo aquecido entra na torre de destilaccedilatildeo em

duas fraccedilotildees o vapor comeccedila a subir enquanto o petroacuteleo bruto reduzido natildeo

vaporizado eacute retirado pelo fundo da torre para o processamento de uma unidade

de destilaccedilatildeo a vaacutecuo O vapor resfria-se agrave medida que ascende e as fracccedilotildees de

elevado ponto de ebuliccedilatildeo se condensam nos pratos mais baixos Esse vapor

conteacutem alta porcentagem de hidrocarbonetos recuperaacuteveis com liacutequido

O gaacutes (gasoacuteleo) proveniente da destilaccedilatildeo simples e a vaacutecuo pode ser

processado no craqueamento cataliacutetico para produzir olefinas diolefinas

hidrocarbonetos aromaacuteticos e nafteno O oacuteleo pesado e o gasoacuteleo vatildeo para o

craqueador cataliacutetico entre 470 degC a 550 degC e de 689 kPa a 2067 kPa (10 Psi a

30 Psi) e por meio da interaccedilatildeo com os catalisadores (zeoacutelitas alumina-silicatos

argila em pellets ou poacute) 50 a 80 eacute craqueado em gasolina e em oacuteleo

combustiacutevel leve e pesado

Uma caracteriacutestica da operaccedilatildeo eacute a formaccedilatildeo de elevada porcentagem

de compostos aromaacuteticos A superfiacutecie do catalisador fica recoberta de depoacutesitos

de carbono leve e deve ser regenerada mediante aquecimento entre 540 degC a

650 degC em contato com o ar

18

Os destilados e o querosene cru satildeo tratados na planta de hidrogenaccedilatildeo

para conversatildeo destas matrizes em produtos de ponto de ebuliccedilatildeo mais baixos No

primeiro estaacutegio da operaccedilatildeo a 300 degC e pressatildeo de 206843 kPa (3000 Psi)

enxofre e nitrogecircnio satildeo removidos O craqueamento ocorre no segundo estaacutegio

no berccedilo cataliacutetico de cobalto-molibdecircnio ou cobalto-niacutequel em temperatura de

315 degC e pressatildeo de 103421 kPa (1500 Psi) Produtos apresentando larga faixa

de ebuliccedilatildeo satildeo formados e podem ser fracionados em produtos uacuteteis querosene

oacuteleo diesel e oacuteleo combustiacutevel leve

A nafta pesada contendo naftenos e parafinas eacute processada por meio

de unidades de reforma cataliacutetica que convertem o material a hidrocarbonetos

aromaacuteticos Esse processo eacute conduzido em temperatura elevada utilizando-se

como catalisador a platina o palaacutedio ou o niacutequel-cobalto O produto eacute utilizado

diretamente na refinaria para melhorar a octanagem da gasolina ou vendido para

petroquiacutemicas (Burgess 1997)

Em teoria as operaccedilotildees unitaacuterias da refinaccedilatildeo do oacuteleo parecem simples

na pratica satildeo bastante complicadas Uma refinaria consiste em uma ou mais

unidades aleacutem da unidade de destilaccedilatildeo que compreendem forno calefator de

oacuteleo torre de fracionamento retificadores a vapor equipamento de troca teacutermica

resfriadores e condensadores tambores de acumulo na unidade agitadores

descontiacutenuos ou unidade a tanquefechado de operaccedilatildeo continua (trata os produtos

e remove compostos nocivos de enxofre e atribui aos produtos uma cor aceitaacutevel)

filtros tanques de homogeneizaccedilatildeo e mistura da carga sistema de dutos para

recepccedilatildeo do oacuteleo cru bombas para transferecircncia dos oacuteleos e para carga e

embarque dos produtos tanques de estocagem do suprimento de oacuteleo e dos

produtos acabados sistema de recuperaccedilatildeo de vapor e diversos auxiliares

Deve-se incluir tambeacutem uma usina para geraccedilatildeo de vapor e

possivelmente de luz e eletricidade Na operaccedilatildeo dessa grande entidade os

balanccedilos de calor de energia e de massa satildeo da maior importacircncia para se

manterem riacutegidos controles de todas as etapas de processamento do oacuteleo

19

Na FIG 1 eacute mostrada uma representaccedilatildeo esquemaacutetica que exemplifica

um sistema baacutesico de refino com a separaccedilatildeo do oacuteleo cru nas diversas fraccedilotildees e

o tratamento subsequumlente de cada fraccedilatildeo os vaacuterios produtos satildeo removidos da

torre de oacuteleo cru conforme diagrama (Shreve 1977)

Gagraves

_ L xx fT ^

1 Oacuteleo cru

DESTILACcedilAtildeO DO OacuteLEO

CRU

As diversas operaccedilotildees e os vaacuterios produtos dependem da espeacuteice de oacuteleo que estaacute sendo destilada

Gasolina destilada

Nafta

REFORMA CATALITICA

Gasolina destilada

Gasolina de alta octanagem

S

uumlas liqueteito de petrograveleo

RECUPERACAtildeO DE GAacuteS Eacute

ESTABILIZACAtildeO DE GASOLINA

Isobutano

Butano

m ogt m ltigt

raquo c t l

Querosene ou oacuteleo combustiacutevel leve uuml

Gasoacuteleo

Gasoacuteleo i

Residuo

Residuo asfaacuteltico

Resiacuteduo de

lubrificante

pesaao

DESTILACcedilAtildeO ATMOSFEacuteRICA OU A VAacuteCUO

DESTILACAO A VAacuteCUO

DESTILACcedilAtildeO A VAacuteCULO

O l

r^ r CRAQUEAMENTO CATALIacuteTICO

1

-

Oleo 0U (

de fornalha )leo Diesel

Oleos combustiveis pesados

Oleo combustivel pesado

Asf 1105

diams Gasoacuteleo pesado

Oleo lubrificante destilado

Residuo de oacuteleo lubrificante

REFINA-CcedilAgraveOA SOL-

VFNTF

REFINA-CcedilAtildeOA SOL-

VENTE

ISOMERIZACcedilAtildeO

POLIME-RIZACcedilAtildeO

ALQUI-LACcedilAtildeO

Gasolina estabilizada

o Dusobuteno 8

(S s

HIDRO-GENACcedilIacuteO

o

d) 7 1 5 E -lt2 S

o

5

lt

ts S

HOMOGE

8

rmdash

NEIZACcedilAO Querosene

Oacuteleo de fornalha leve

Oacuteleo de fornalha

Oacuteleo Diesel

Oacuteleos combustiacuteveis pesados

Asfalto

1 amp iacute 8 o

DESPARA-FINACcedilAtildeO DESCO-

RAMENTO

Oleos lubrifican Oacuteleos

tes

Parafina O 1 1

HOMOGE-NEIZACAO

E EMBA-LAGEM

USINA DE REFINA-CAtildeODE

PAacuteRAFINA

Asfaltos

raquo-

mdashyen

mdash

mdash gt gt

Parafmas refinadas

Cozinha

Aeronaves

Automoacuteveis

Sitios e fazendas

Aquecimento domecircstico

Estradas de ferro

Faacutebricas

Embarcaccedilotildees

Estradas

Papel parafinado

Fonte Shreve 1977p593

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos comercializaacuteveis

21

32 Craqueamento cataliacutetico

O craqueamento cataliacutetico eacute um processo de quebra molecular Sua

carga eacute uma mistura de gasoacuteleo de vaacutecuo e oacuteleo desasfaltado que submetida a

condiccedilotildees bastante severas em presenccedila do catalisador eacute transformada em vaacuterias

outras fraccedilotildees mais leves produzindo gaacutes combustiacutevel gaacutes liquefeito nafta

gasoacuteleo leve (oacuteleo diesel de craqueamento) e gasoacuteleo pesado de craqueamento

(oacuteleo combustiacutevel) As reaccedilotildees produzem tambeacutem coque que se deposita no

catalisador e eacute queimado quando na regeneraccedilatildeo desse uacuteltimo gerando gaacutes de

combustatildeo de alto conteuacutedo energeacutetico usado na geraccedilatildeo de vapor de aacutegua de

alta pressatildeo

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial tomando

um notaacutevel impulso com este conflito em face agrave grande necessidade dos aliados

em relaccedilatildeo a suprimentos de gasolina e material petroquiacutemico para suas tropas

Com o fim da guerra o craqueamento cataliacutetico firmou-se principalmente em

funccedilatildeo da produccedilatildeo de nafta em maior quantidade de melhor qualidade e com

custos de produccedilatildeo bem inferiores aos outros processos existentes na eacutepoca

Eacute um processo destinado por excelecircncia agrave produccedilatildeo de nafta de alta

octanagem o derivado que aparece em maior quantidade de 50 a 65 do

volume em relaccedilatildeo agrave carga processada O segundo derivado em maior proporccedilatildeo

eacute o gaacutes liquefeito de petroacuteleo (GLP) de 25 a 40 do volume em relaccedilatildeo agrave carga

Em menores rendimentos temos tambeacutem o oacuteleo diesel de craqueamento Light

Cycle 07 (LCO) o oacuteleo combustiacutevel de craqueamento (oacuteleo decantado ou

clarificado) o gaacutes combustiacutevel e o gaacutes sulfiacutedrico (H2S) O coque gerado eacute

depositado no catalisadore queimado na regeneraccedilatildeo

A grande necessidade nacional de produccedilatildeo de GLP e principalmente

de gasolina ateacute o final dos anos setenta fez com que a PETROBRAS instalasse

este processo em todas as suas refinarias O craqueamento cataliacutetico tambeacutem

conhecido como Fluid Catalytic Cracking (FCC) eacute um processo de grande

versatilidade e de elevada rentabilidade no quadro atual do refino embora seja

tambeacutem uma unidade de alto investimento para sua implantaccedilatildeo (Abadie 2002)

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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40 UPSON L L What FCC catalyst test show Hydroc Proc nov p 253-258 1981

41 VIERHEILIG AA Methods of Recovering Rare Earth Elements US PatentNo82630282012

42 WILSON J W Fluid Catalytic Cracking Technology and Operation Tulsa Pennwell Books 1997 p 323

73

43 WOJCIECHOWSKI B W CORMA A Catalytic Cracking Catalyst Chemistry and Kinetics Chem Ind Ser n 25 New York Marcel Dekker Inc 1986 p 235

44 WOJNAacuteROVITS I Radiaton Chemistry Handbook of Nuclear Chemistry -Chemical applications of nuclear reactions and radiations 2003

45 YOUSSEF AM EL KHERBAWY M A SAMRA SE Effect of irradiation with gamma-rays on the surface and catalytic properties of SIacute02-AI203 and Li20-ompregnated SIacute02-AI203 systems Radiat Phys Chem p 559-563 Vol 40 1992

46 YOUSSEF AM EL-NABARAWY TH MOSTAFA MR Modification of surface properties of silica-alumina by irradiation with gamma-rays Radiat Phys Chem p 439 - 443 Vol 36 1990

47 YU ZS CHEN MB Rare Earth Elements and Their Applications Metallurgical Industry Press Beijing (PR China) 1995

48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 13: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

LISTA DE TABELAS

Paacutegina

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC 33

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e

desativados do leito inferiore superior 34

TABELA 3-Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC 37

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por

feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico 47

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com

feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy 49

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados

(60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy porfeixe de eleacutetrons 50

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente 61

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de

3036 MGy 62

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos

catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior 63

14

Capiacutetulo 1

INTRODUCcedilAtildeO

Qualquer um que considere cataacutelise heterogecircnea como um aspecto da

ciecircncia de superfiacutecie e estude o comportamento das moleacuteculas em uma superfiacutecie

cataliacutetica natildeo eacute suscetiacutevel de ser atraiacutedo pela ideia de um bombeamento de resiacuteduo

de petroacuteleo ao longo de superfiacutecies cataliacuteticas limpas e cuidadosamente

caracterizadas Catalisadores projetados para dessulfurarfraccedilotildees de destilaccedilatildeo de

petroacuteleo (Co-Moalumina ou Ni-Moalumina) perderatildeo a sua atividade em alguns

dias quando em contato com um resiacuteduo de petroacuteleo nas condiccedilotildees em que

poderiam funcionar bem durante vaacuterios anos em destilaccedilatildeo comercial de

hidroprocessamento (Oelderik 1989)

A cataacutelise foi praticada pela sociedade durante muitos anos sem que

tivesse o conhecimento dela como na fabricaccedilatildeo de vinhos e cervejas Atualmente

os catalisadores satildeo usados para dinamizar a forma com que produzimos materiais

em nosso ambiente sendo que seu impacto eacute substancial Induacutestrias quiacutemicas e

refinarias de petroacuteleo satildeo interconectadas com a induacutestria de catalisadores

(Armor 2011)

A concentraccedilatildeo do enxofre no oacuteleo varia de 02 (Golfo Peacutersico) a 4

(Meacutexico e Venezuela) O enxofre adveacutem de mercaptanas dissulfetos e aacutecido

sulfiacutedrico que lixiviaram para o oacuteleo Oacuteleos com elevada concentraccedilatildeo de enxofre

tecircm maior impacto nas operaccedilotildees da refinaria em funccedilatildeo dos seus efeitos

corrosivos As mercaptanas tecircm limite olfativo de partes por bilhatildeo (ppb) e

representam um seacuterio problema ambiental (Burgess 1997)

15

Por muitos anos utilizou-se aacutecido sulfuacuterico para extrair compostos agrave

base de enxofre gerando lodo aacutecido que exigia tratamento preacutevio agrave disposiccedilatildeo O

aacutecido sulfuacuterico foi substituiacutedo por aacutecido fluoriacutedrico Esses meacutetodos aacutecidos estatildeo

sendo substituiacutedos por teacutecnicas cataliacuteticas usando niacutequel cobalto e catalisadores

agrave base de molibdecircnio em gracircnulos pellets ou poacute dessulfuraccedilatildeo cataliacutetica ou

hidrotratamento (Burgess 1997)

O catalisador de FCC eacute composto basicamente por oacutexido de alumiacutenio

(AI2O3) e oacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) O processo de FCC tem como principal objetivo a

produccedilatildeo de nafta de alta octanagem e Gaacutes Liquefeito do Petroacuteleo (GLP) Jaacute o

catalisador de HCC eacute constituiacutedo de um suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) no

qual se depositam oacutexidos de niacutequel-molibdecircnio (NiO-MoO) O processo de HCC

ocorre na presenccedila do catalisador altas temperaturas e pressotildees e presenccedila de

grandes volumes de hidrogecircnio (Abadie 2002)

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte dos catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos

Oacuteleos crus satildeo misturas coloidais de diversos hidrocarbonetos Variam

de condensados leves altamente volaacuteteis e de baixas massas molares a pesadas

densos e altamente viscosos (oacuteleo pesado e betume) com uma tendecircncia de

elevada massa molar Oacuteleos pesados e crus normalmente possuem mais enxofre

nitrogecircnio e metais e satildeo vendidos com um desconto significativo aos oacuteleos leves

crus por exemplo os oacuteleos West Texas Intermediate (NationalEnergy Technology

Laboratory 2005)

Pesquisas em radiaccedilatildeo aplicadas ao petroacuteleo vem sendo estudadas

pelas maiores companhias petroliacuteferas desde 1950 Amplas variedades de fontes

radioativas a fontes de alta energia estatildeo sendo exploradas tais como emissatildeo de

necircutrons eleacutetrons raios gama partiacuteculas beta e produtos de fissatildeo

16

Capiacutetulo 2

OBJETIVO

O presente trabalho tem como objetivo estudar os efeitos das radiaccedilotildees

ionizantes (raios gama e feixe de eleacutetrons) nos catalisadores desativados de Fluid

Catalytic Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) para se viabilizar a

extraccedilatildeo de elementos quiacutemicos de alto valor agregado No caso dos catalisadores

de FCC tecircm-se como meta a extraccedilatildeo do lantacircnio (La203) a regeneraccedilatildeo e

utilizaccedilatildeo dos catalisadores jaacute para o catalisador de HCC a extraccedilatildeo do molibdecircnio

(M0O3)

17

Capiacutetulo 3

REVISAtildeO DA LITERATURA

31 A cataacutelise e o petroacuteleo

A primeira etapa de destilaccedilatildeo ocorre a pressatildeo atmosfeacuterica seguindo-

se uma seacuterie de estaacutegios com a retirada de aacutegua e dessalinizaccedilatildeo onde o oacuteleo eacute

processado em caldeiras para a vaporizaccedilatildeo parcial Eacute aquecido entre 340 degC a

345 degC antes do fracionamento O oacuteleo aquecido entra na torre de destilaccedilatildeo em

duas fraccedilotildees o vapor comeccedila a subir enquanto o petroacuteleo bruto reduzido natildeo

vaporizado eacute retirado pelo fundo da torre para o processamento de uma unidade

de destilaccedilatildeo a vaacutecuo O vapor resfria-se agrave medida que ascende e as fracccedilotildees de

elevado ponto de ebuliccedilatildeo se condensam nos pratos mais baixos Esse vapor

conteacutem alta porcentagem de hidrocarbonetos recuperaacuteveis com liacutequido

O gaacutes (gasoacuteleo) proveniente da destilaccedilatildeo simples e a vaacutecuo pode ser

processado no craqueamento cataliacutetico para produzir olefinas diolefinas

hidrocarbonetos aromaacuteticos e nafteno O oacuteleo pesado e o gasoacuteleo vatildeo para o

craqueador cataliacutetico entre 470 degC a 550 degC e de 689 kPa a 2067 kPa (10 Psi a

30 Psi) e por meio da interaccedilatildeo com os catalisadores (zeoacutelitas alumina-silicatos

argila em pellets ou poacute) 50 a 80 eacute craqueado em gasolina e em oacuteleo

combustiacutevel leve e pesado

Uma caracteriacutestica da operaccedilatildeo eacute a formaccedilatildeo de elevada porcentagem

de compostos aromaacuteticos A superfiacutecie do catalisador fica recoberta de depoacutesitos

de carbono leve e deve ser regenerada mediante aquecimento entre 540 degC a

650 degC em contato com o ar

18

Os destilados e o querosene cru satildeo tratados na planta de hidrogenaccedilatildeo

para conversatildeo destas matrizes em produtos de ponto de ebuliccedilatildeo mais baixos No

primeiro estaacutegio da operaccedilatildeo a 300 degC e pressatildeo de 206843 kPa (3000 Psi)

enxofre e nitrogecircnio satildeo removidos O craqueamento ocorre no segundo estaacutegio

no berccedilo cataliacutetico de cobalto-molibdecircnio ou cobalto-niacutequel em temperatura de

315 degC e pressatildeo de 103421 kPa (1500 Psi) Produtos apresentando larga faixa

de ebuliccedilatildeo satildeo formados e podem ser fracionados em produtos uacuteteis querosene

oacuteleo diesel e oacuteleo combustiacutevel leve

A nafta pesada contendo naftenos e parafinas eacute processada por meio

de unidades de reforma cataliacutetica que convertem o material a hidrocarbonetos

aromaacuteticos Esse processo eacute conduzido em temperatura elevada utilizando-se

como catalisador a platina o palaacutedio ou o niacutequel-cobalto O produto eacute utilizado

diretamente na refinaria para melhorar a octanagem da gasolina ou vendido para

petroquiacutemicas (Burgess 1997)

Em teoria as operaccedilotildees unitaacuterias da refinaccedilatildeo do oacuteleo parecem simples

na pratica satildeo bastante complicadas Uma refinaria consiste em uma ou mais

unidades aleacutem da unidade de destilaccedilatildeo que compreendem forno calefator de

oacuteleo torre de fracionamento retificadores a vapor equipamento de troca teacutermica

resfriadores e condensadores tambores de acumulo na unidade agitadores

descontiacutenuos ou unidade a tanquefechado de operaccedilatildeo continua (trata os produtos

e remove compostos nocivos de enxofre e atribui aos produtos uma cor aceitaacutevel)

filtros tanques de homogeneizaccedilatildeo e mistura da carga sistema de dutos para

recepccedilatildeo do oacuteleo cru bombas para transferecircncia dos oacuteleos e para carga e

embarque dos produtos tanques de estocagem do suprimento de oacuteleo e dos

produtos acabados sistema de recuperaccedilatildeo de vapor e diversos auxiliares

Deve-se incluir tambeacutem uma usina para geraccedilatildeo de vapor e

possivelmente de luz e eletricidade Na operaccedilatildeo dessa grande entidade os

balanccedilos de calor de energia e de massa satildeo da maior importacircncia para se

manterem riacutegidos controles de todas as etapas de processamento do oacuteleo

19

Na FIG 1 eacute mostrada uma representaccedilatildeo esquemaacutetica que exemplifica

um sistema baacutesico de refino com a separaccedilatildeo do oacuteleo cru nas diversas fraccedilotildees e

o tratamento subsequumlente de cada fraccedilatildeo os vaacuterios produtos satildeo removidos da

torre de oacuteleo cru conforme diagrama (Shreve 1977)

Gagraves

_ L xx fT ^

1 Oacuteleo cru

DESTILACcedilAtildeO DO OacuteLEO

CRU

As diversas operaccedilotildees e os vaacuterios produtos dependem da espeacuteice de oacuteleo que estaacute sendo destilada

Gasolina destilada

Nafta

REFORMA CATALITICA

Gasolina destilada

Gasolina de alta octanagem

S

uumlas liqueteito de petrograveleo

RECUPERACAtildeO DE GAacuteS Eacute

ESTABILIZACAtildeO DE GASOLINA

Isobutano

Butano

m ogt m ltigt

raquo c t l

Querosene ou oacuteleo combustiacutevel leve uuml

Gasoacuteleo

Gasoacuteleo i

Residuo

Residuo asfaacuteltico

Resiacuteduo de

lubrificante

pesaao

DESTILACcedilAtildeO ATMOSFEacuteRICA OU A VAacuteCUO

DESTILACAO A VAacuteCUO

DESTILACcedilAtildeO A VAacuteCULO

O l

r^ r CRAQUEAMENTO CATALIacuteTICO

1

-

Oleo 0U (

de fornalha )leo Diesel

Oleos combustiveis pesados

Oleo combustivel pesado

Asf 1105

diams Gasoacuteleo pesado

Oleo lubrificante destilado

Residuo de oacuteleo lubrificante

REFINA-CcedilAgraveOA SOL-

VFNTF

REFINA-CcedilAtildeOA SOL-

VENTE

ISOMERIZACcedilAtildeO

POLIME-RIZACcedilAtildeO

ALQUI-LACcedilAtildeO

Gasolina estabilizada

o Dusobuteno 8

(S s

HIDRO-GENACcedilIacuteO

o

d) 7 1 5 E -lt2 S

o

5

lt

ts S

HOMOGE

8

rmdash

NEIZACcedilAO Querosene

Oacuteleo de fornalha leve

Oacuteleo de fornalha

Oacuteleo Diesel

Oacuteleos combustiacuteveis pesados

Asfalto

1 amp iacute 8 o

DESPARA-FINACcedilAtildeO DESCO-

RAMENTO

Oleos lubrifican Oacuteleos

tes

Parafina O 1 1

HOMOGE-NEIZACAO

E EMBA-LAGEM

USINA DE REFINA-CAtildeODE

PAacuteRAFINA

Asfaltos

raquo-

mdashyen

mdash

mdash gt gt

Parafmas refinadas

Cozinha

Aeronaves

Automoacuteveis

Sitios e fazendas

Aquecimento domecircstico

Estradas de ferro

Faacutebricas

Embarcaccedilotildees

Estradas

Papel parafinado

Fonte Shreve 1977p593

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos comercializaacuteveis

21

32 Craqueamento cataliacutetico

O craqueamento cataliacutetico eacute um processo de quebra molecular Sua

carga eacute uma mistura de gasoacuteleo de vaacutecuo e oacuteleo desasfaltado que submetida a

condiccedilotildees bastante severas em presenccedila do catalisador eacute transformada em vaacuterias

outras fraccedilotildees mais leves produzindo gaacutes combustiacutevel gaacutes liquefeito nafta

gasoacuteleo leve (oacuteleo diesel de craqueamento) e gasoacuteleo pesado de craqueamento

(oacuteleo combustiacutevel) As reaccedilotildees produzem tambeacutem coque que se deposita no

catalisador e eacute queimado quando na regeneraccedilatildeo desse uacuteltimo gerando gaacutes de

combustatildeo de alto conteuacutedo energeacutetico usado na geraccedilatildeo de vapor de aacutegua de

alta pressatildeo

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial tomando

um notaacutevel impulso com este conflito em face agrave grande necessidade dos aliados

em relaccedilatildeo a suprimentos de gasolina e material petroquiacutemico para suas tropas

Com o fim da guerra o craqueamento cataliacutetico firmou-se principalmente em

funccedilatildeo da produccedilatildeo de nafta em maior quantidade de melhor qualidade e com

custos de produccedilatildeo bem inferiores aos outros processos existentes na eacutepoca

Eacute um processo destinado por excelecircncia agrave produccedilatildeo de nafta de alta

octanagem o derivado que aparece em maior quantidade de 50 a 65 do

volume em relaccedilatildeo agrave carga processada O segundo derivado em maior proporccedilatildeo

eacute o gaacutes liquefeito de petroacuteleo (GLP) de 25 a 40 do volume em relaccedilatildeo agrave carga

Em menores rendimentos temos tambeacutem o oacuteleo diesel de craqueamento Light

Cycle 07 (LCO) o oacuteleo combustiacutevel de craqueamento (oacuteleo decantado ou

clarificado) o gaacutes combustiacutevel e o gaacutes sulfiacutedrico (H2S) O coque gerado eacute

depositado no catalisadore queimado na regeneraccedilatildeo

A grande necessidade nacional de produccedilatildeo de GLP e principalmente

de gasolina ateacute o final dos anos setenta fez com que a PETROBRAS instalasse

este processo em todas as suas refinarias O craqueamento cataliacutetico tambeacutem

conhecido como Fluid Catalytic Cracking (FCC) eacute um processo de grande

versatilidade e de elevada rentabilidade no quadro atual do refino embora seja

tambeacutem uma unidade de alto investimento para sua implantaccedilatildeo (Abadie 2002)

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 14: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

14

Capiacutetulo 1

INTRODUCcedilAtildeO

Qualquer um que considere cataacutelise heterogecircnea como um aspecto da

ciecircncia de superfiacutecie e estude o comportamento das moleacuteculas em uma superfiacutecie

cataliacutetica natildeo eacute suscetiacutevel de ser atraiacutedo pela ideia de um bombeamento de resiacuteduo

de petroacuteleo ao longo de superfiacutecies cataliacuteticas limpas e cuidadosamente

caracterizadas Catalisadores projetados para dessulfurarfraccedilotildees de destilaccedilatildeo de

petroacuteleo (Co-Moalumina ou Ni-Moalumina) perderatildeo a sua atividade em alguns

dias quando em contato com um resiacuteduo de petroacuteleo nas condiccedilotildees em que

poderiam funcionar bem durante vaacuterios anos em destilaccedilatildeo comercial de

hidroprocessamento (Oelderik 1989)

A cataacutelise foi praticada pela sociedade durante muitos anos sem que

tivesse o conhecimento dela como na fabricaccedilatildeo de vinhos e cervejas Atualmente

os catalisadores satildeo usados para dinamizar a forma com que produzimos materiais

em nosso ambiente sendo que seu impacto eacute substancial Induacutestrias quiacutemicas e

refinarias de petroacuteleo satildeo interconectadas com a induacutestria de catalisadores

(Armor 2011)

A concentraccedilatildeo do enxofre no oacuteleo varia de 02 (Golfo Peacutersico) a 4

(Meacutexico e Venezuela) O enxofre adveacutem de mercaptanas dissulfetos e aacutecido

sulfiacutedrico que lixiviaram para o oacuteleo Oacuteleos com elevada concentraccedilatildeo de enxofre

tecircm maior impacto nas operaccedilotildees da refinaria em funccedilatildeo dos seus efeitos

corrosivos As mercaptanas tecircm limite olfativo de partes por bilhatildeo (ppb) e

representam um seacuterio problema ambiental (Burgess 1997)

15

Por muitos anos utilizou-se aacutecido sulfuacuterico para extrair compostos agrave

base de enxofre gerando lodo aacutecido que exigia tratamento preacutevio agrave disposiccedilatildeo O

aacutecido sulfuacuterico foi substituiacutedo por aacutecido fluoriacutedrico Esses meacutetodos aacutecidos estatildeo

sendo substituiacutedos por teacutecnicas cataliacuteticas usando niacutequel cobalto e catalisadores

agrave base de molibdecircnio em gracircnulos pellets ou poacute dessulfuraccedilatildeo cataliacutetica ou

hidrotratamento (Burgess 1997)

O catalisador de FCC eacute composto basicamente por oacutexido de alumiacutenio

(AI2O3) e oacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) O processo de FCC tem como principal objetivo a

produccedilatildeo de nafta de alta octanagem e Gaacutes Liquefeito do Petroacuteleo (GLP) Jaacute o

catalisador de HCC eacute constituiacutedo de um suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) no

qual se depositam oacutexidos de niacutequel-molibdecircnio (NiO-MoO) O processo de HCC

ocorre na presenccedila do catalisador altas temperaturas e pressotildees e presenccedila de

grandes volumes de hidrogecircnio (Abadie 2002)

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte dos catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos

Oacuteleos crus satildeo misturas coloidais de diversos hidrocarbonetos Variam

de condensados leves altamente volaacuteteis e de baixas massas molares a pesadas

densos e altamente viscosos (oacuteleo pesado e betume) com uma tendecircncia de

elevada massa molar Oacuteleos pesados e crus normalmente possuem mais enxofre

nitrogecircnio e metais e satildeo vendidos com um desconto significativo aos oacuteleos leves

crus por exemplo os oacuteleos West Texas Intermediate (NationalEnergy Technology

Laboratory 2005)

Pesquisas em radiaccedilatildeo aplicadas ao petroacuteleo vem sendo estudadas

pelas maiores companhias petroliacuteferas desde 1950 Amplas variedades de fontes

radioativas a fontes de alta energia estatildeo sendo exploradas tais como emissatildeo de

necircutrons eleacutetrons raios gama partiacuteculas beta e produtos de fissatildeo

16

Capiacutetulo 2

OBJETIVO

O presente trabalho tem como objetivo estudar os efeitos das radiaccedilotildees

ionizantes (raios gama e feixe de eleacutetrons) nos catalisadores desativados de Fluid

Catalytic Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) para se viabilizar a

extraccedilatildeo de elementos quiacutemicos de alto valor agregado No caso dos catalisadores

de FCC tecircm-se como meta a extraccedilatildeo do lantacircnio (La203) a regeneraccedilatildeo e

utilizaccedilatildeo dos catalisadores jaacute para o catalisador de HCC a extraccedilatildeo do molibdecircnio

(M0O3)

17

Capiacutetulo 3

REVISAtildeO DA LITERATURA

31 A cataacutelise e o petroacuteleo

A primeira etapa de destilaccedilatildeo ocorre a pressatildeo atmosfeacuterica seguindo-

se uma seacuterie de estaacutegios com a retirada de aacutegua e dessalinizaccedilatildeo onde o oacuteleo eacute

processado em caldeiras para a vaporizaccedilatildeo parcial Eacute aquecido entre 340 degC a

345 degC antes do fracionamento O oacuteleo aquecido entra na torre de destilaccedilatildeo em

duas fraccedilotildees o vapor comeccedila a subir enquanto o petroacuteleo bruto reduzido natildeo

vaporizado eacute retirado pelo fundo da torre para o processamento de uma unidade

de destilaccedilatildeo a vaacutecuo O vapor resfria-se agrave medida que ascende e as fracccedilotildees de

elevado ponto de ebuliccedilatildeo se condensam nos pratos mais baixos Esse vapor

conteacutem alta porcentagem de hidrocarbonetos recuperaacuteveis com liacutequido

O gaacutes (gasoacuteleo) proveniente da destilaccedilatildeo simples e a vaacutecuo pode ser

processado no craqueamento cataliacutetico para produzir olefinas diolefinas

hidrocarbonetos aromaacuteticos e nafteno O oacuteleo pesado e o gasoacuteleo vatildeo para o

craqueador cataliacutetico entre 470 degC a 550 degC e de 689 kPa a 2067 kPa (10 Psi a

30 Psi) e por meio da interaccedilatildeo com os catalisadores (zeoacutelitas alumina-silicatos

argila em pellets ou poacute) 50 a 80 eacute craqueado em gasolina e em oacuteleo

combustiacutevel leve e pesado

Uma caracteriacutestica da operaccedilatildeo eacute a formaccedilatildeo de elevada porcentagem

de compostos aromaacuteticos A superfiacutecie do catalisador fica recoberta de depoacutesitos

de carbono leve e deve ser regenerada mediante aquecimento entre 540 degC a

650 degC em contato com o ar

18

Os destilados e o querosene cru satildeo tratados na planta de hidrogenaccedilatildeo

para conversatildeo destas matrizes em produtos de ponto de ebuliccedilatildeo mais baixos No

primeiro estaacutegio da operaccedilatildeo a 300 degC e pressatildeo de 206843 kPa (3000 Psi)

enxofre e nitrogecircnio satildeo removidos O craqueamento ocorre no segundo estaacutegio

no berccedilo cataliacutetico de cobalto-molibdecircnio ou cobalto-niacutequel em temperatura de

315 degC e pressatildeo de 103421 kPa (1500 Psi) Produtos apresentando larga faixa

de ebuliccedilatildeo satildeo formados e podem ser fracionados em produtos uacuteteis querosene

oacuteleo diesel e oacuteleo combustiacutevel leve

A nafta pesada contendo naftenos e parafinas eacute processada por meio

de unidades de reforma cataliacutetica que convertem o material a hidrocarbonetos

aromaacuteticos Esse processo eacute conduzido em temperatura elevada utilizando-se

como catalisador a platina o palaacutedio ou o niacutequel-cobalto O produto eacute utilizado

diretamente na refinaria para melhorar a octanagem da gasolina ou vendido para

petroquiacutemicas (Burgess 1997)

Em teoria as operaccedilotildees unitaacuterias da refinaccedilatildeo do oacuteleo parecem simples

na pratica satildeo bastante complicadas Uma refinaria consiste em uma ou mais

unidades aleacutem da unidade de destilaccedilatildeo que compreendem forno calefator de

oacuteleo torre de fracionamento retificadores a vapor equipamento de troca teacutermica

resfriadores e condensadores tambores de acumulo na unidade agitadores

descontiacutenuos ou unidade a tanquefechado de operaccedilatildeo continua (trata os produtos

e remove compostos nocivos de enxofre e atribui aos produtos uma cor aceitaacutevel)

filtros tanques de homogeneizaccedilatildeo e mistura da carga sistema de dutos para

recepccedilatildeo do oacuteleo cru bombas para transferecircncia dos oacuteleos e para carga e

embarque dos produtos tanques de estocagem do suprimento de oacuteleo e dos

produtos acabados sistema de recuperaccedilatildeo de vapor e diversos auxiliares

Deve-se incluir tambeacutem uma usina para geraccedilatildeo de vapor e

possivelmente de luz e eletricidade Na operaccedilatildeo dessa grande entidade os

balanccedilos de calor de energia e de massa satildeo da maior importacircncia para se

manterem riacutegidos controles de todas as etapas de processamento do oacuteleo

19

Na FIG 1 eacute mostrada uma representaccedilatildeo esquemaacutetica que exemplifica

um sistema baacutesico de refino com a separaccedilatildeo do oacuteleo cru nas diversas fraccedilotildees e

o tratamento subsequumlente de cada fraccedilatildeo os vaacuterios produtos satildeo removidos da

torre de oacuteleo cru conforme diagrama (Shreve 1977)

Gagraves

_ L xx fT ^

1 Oacuteleo cru

DESTILACcedilAtildeO DO OacuteLEO

CRU

As diversas operaccedilotildees e os vaacuterios produtos dependem da espeacuteice de oacuteleo que estaacute sendo destilada

Gasolina destilada

Nafta

REFORMA CATALITICA

Gasolina destilada

Gasolina de alta octanagem

S

uumlas liqueteito de petrograveleo

RECUPERACAtildeO DE GAacuteS Eacute

ESTABILIZACAtildeO DE GASOLINA

Isobutano

Butano

m ogt m ltigt

raquo c t l

Querosene ou oacuteleo combustiacutevel leve uuml

Gasoacuteleo

Gasoacuteleo i

Residuo

Residuo asfaacuteltico

Resiacuteduo de

lubrificante

pesaao

DESTILACcedilAtildeO ATMOSFEacuteRICA OU A VAacuteCUO

DESTILACAO A VAacuteCUO

DESTILACcedilAtildeO A VAacuteCULO

O l

r^ r CRAQUEAMENTO CATALIacuteTICO

1

-

Oleo 0U (

de fornalha )leo Diesel

Oleos combustiveis pesados

Oleo combustivel pesado

Asf 1105

diams Gasoacuteleo pesado

Oleo lubrificante destilado

Residuo de oacuteleo lubrificante

REFINA-CcedilAgraveOA SOL-

VFNTF

REFINA-CcedilAtildeOA SOL-

VENTE

ISOMERIZACcedilAtildeO

POLIME-RIZACcedilAtildeO

ALQUI-LACcedilAtildeO

Gasolina estabilizada

o Dusobuteno 8

(S s

HIDRO-GENACcedilIacuteO

o

d) 7 1 5 E -lt2 S

o

5

lt

ts S

HOMOGE

8

rmdash

NEIZACcedilAO Querosene

Oacuteleo de fornalha leve

Oacuteleo de fornalha

Oacuteleo Diesel

Oacuteleos combustiacuteveis pesados

Asfalto

1 amp iacute 8 o

DESPARA-FINACcedilAtildeO DESCO-

RAMENTO

Oleos lubrifican Oacuteleos

tes

Parafina O 1 1

HOMOGE-NEIZACAO

E EMBA-LAGEM

USINA DE REFINA-CAtildeODE

PAacuteRAFINA

Asfaltos

raquo-

mdashyen

mdash

mdash gt gt

Parafmas refinadas

Cozinha

Aeronaves

Automoacuteveis

Sitios e fazendas

Aquecimento domecircstico

Estradas de ferro

Faacutebricas

Embarcaccedilotildees

Estradas

Papel parafinado

Fonte Shreve 1977p593

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos comercializaacuteveis

21

32 Craqueamento cataliacutetico

O craqueamento cataliacutetico eacute um processo de quebra molecular Sua

carga eacute uma mistura de gasoacuteleo de vaacutecuo e oacuteleo desasfaltado que submetida a

condiccedilotildees bastante severas em presenccedila do catalisador eacute transformada em vaacuterias

outras fraccedilotildees mais leves produzindo gaacutes combustiacutevel gaacutes liquefeito nafta

gasoacuteleo leve (oacuteleo diesel de craqueamento) e gasoacuteleo pesado de craqueamento

(oacuteleo combustiacutevel) As reaccedilotildees produzem tambeacutem coque que se deposita no

catalisador e eacute queimado quando na regeneraccedilatildeo desse uacuteltimo gerando gaacutes de

combustatildeo de alto conteuacutedo energeacutetico usado na geraccedilatildeo de vapor de aacutegua de

alta pressatildeo

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial tomando

um notaacutevel impulso com este conflito em face agrave grande necessidade dos aliados

em relaccedilatildeo a suprimentos de gasolina e material petroquiacutemico para suas tropas

Com o fim da guerra o craqueamento cataliacutetico firmou-se principalmente em

funccedilatildeo da produccedilatildeo de nafta em maior quantidade de melhor qualidade e com

custos de produccedilatildeo bem inferiores aos outros processos existentes na eacutepoca

Eacute um processo destinado por excelecircncia agrave produccedilatildeo de nafta de alta

octanagem o derivado que aparece em maior quantidade de 50 a 65 do

volume em relaccedilatildeo agrave carga processada O segundo derivado em maior proporccedilatildeo

eacute o gaacutes liquefeito de petroacuteleo (GLP) de 25 a 40 do volume em relaccedilatildeo agrave carga

Em menores rendimentos temos tambeacutem o oacuteleo diesel de craqueamento Light

Cycle 07 (LCO) o oacuteleo combustiacutevel de craqueamento (oacuteleo decantado ou

clarificado) o gaacutes combustiacutevel e o gaacutes sulfiacutedrico (H2S) O coque gerado eacute

depositado no catalisadore queimado na regeneraccedilatildeo

A grande necessidade nacional de produccedilatildeo de GLP e principalmente

de gasolina ateacute o final dos anos setenta fez com que a PETROBRAS instalasse

este processo em todas as suas refinarias O craqueamento cataliacutetico tambeacutem

conhecido como Fluid Catalytic Cracking (FCC) eacute um processo de grande

versatilidade e de elevada rentabilidade no quadro atual do refino embora seja

tambeacutem uma unidade de alto investimento para sua implantaccedilatildeo (Abadie 2002)

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 15: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

15

Por muitos anos utilizou-se aacutecido sulfuacuterico para extrair compostos agrave

base de enxofre gerando lodo aacutecido que exigia tratamento preacutevio agrave disposiccedilatildeo O

aacutecido sulfuacuterico foi substituiacutedo por aacutecido fluoriacutedrico Esses meacutetodos aacutecidos estatildeo

sendo substituiacutedos por teacutecnicas cataliacuteticas usando niacutequel cobalto e catalisadores

agrave base de molibdecircnio em gracircnulos pellets ou poacute dessulfuraccedilatildeo cataliacutetica ou

hidrotratamento (Burgess 1997)

O catalisador de FCC eacute composto basicamente por oacutexido de alumiacutenio

(AI2O3) e oacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) O processo de FCC tem como principal objetivo a

produccedilatildeo de nafta de alta octanagem e Gaacutes Liquefeito do Petroacuteleo (GLP) Jaacute o

catalisador de HCC eacute constituiacutedo de um suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) no

qual se depositam oacutexidos de niacutequel-molibdecircnio (NiO-MoO) O processo de HCC

ocorre na presenccedila do catalisador altas temperaturas e pressotildees e presenccedila de

grandes volumes de hidrogecircnio (Abadie 2002)

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte dos catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos

Oacuteleos crus satildeo misturas coloidais de diversos hidrocarbonetos Variam

de condensados leves altamente volaacuteteis e de baixas massas molares a pesadas

densos e altamente viscosos (oacuteleo pesado e betume) com uma tendecircncia de

elevada massa molar Oacuteleos pesados e crus normalmente possuem mais enxofre

nitrogecircnio e metais e satildeo vendidos com um desconto significativo aos oacuteleos leves

crus por exemplo os oacuteleos West Texas Intermediate (NationalEnergy Technology

Laboratory 2005)

Pesquisas em radiaccedilatildeo aplicadas ao petroacuteleo vem sendo estudadas

pelas maiores companhias petroliacuteferas desde 1950 Amplas variedades de fontes

radioativas a fontes de alta energia estatildeo sendo exploradas tais como emissatildeo de

necircutrons eleacutetrons raios gama partiacuteculas beta e produtos de fissatildeo

16

Capiacutetulo 2

OBJETIVO

O presente trabalho tem como objetivo estudar os efeitos das radiaccedilotildees

ionizantes (raios gama e feixe de eleacutetrons) nos catalisadores desativados de Fluid

Catalytic Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) para se viabilizar a

extraccedilatildeo de elementos quiacutemicos de alto valor agregado No caso dos catalisadores

de FCC tecircm-se como meta a extraccedilatildeo do lantacircnio (La203) a regeneraccedilatildeo e

utilizaccedilatildeo dos catalisadores jaacute para o catalisador de HCC a extraccedilatildeo do molibdecircnio

(M0O3)

17

Capiacutetulo 3

REVISAtildeO DA LITERATURA

31 A cataacutelise e o petroacuteleo

A primeira etapa de destilaccedilatildeo ocorre a pressatildeo atmosfeacuterica seguindo-

se uma seacuterie de estaacutegios com a retirada de aacutegua e dessalinizaccedilatildeo onde o oacuteleo eacute

processado em caldeiras para a vaporizaccedilatildeo parcial Eacute aquecido entre 340 degC a

345 degC antes do fracionamento O oacuteleo aquecido entra na torre de destilaccedilatildeo em

duas fraccedilotildees o vapor comeccedila a subir enquanto o petroacuteleo bruto reduzido natildeo

vaporizado eacute retirado pelo fundo da torre para o processamento de uma unidade

de destilaccedilatildeo a vaacutecuo O vapor resfria-se agrave medida que ascende e as fracccedilotildees de

elevado ponto de ebuliccedilatildeo se condensam nos pratos mais baixos Esse vapor

conteacutem alta porcentagem de hidrocarbonetos recuperaacuteveis com liacutequido

O gaacutes (gasoacuteleo) proveniente da destilaccedilatildeo simples e a vaacutecuo pode ser

processado no craqueamento cataliacutetico para produzir olefinas diolefinas

hidrocarbonetos aromaacuteticos e nafteno O oacuteleo pesado e o gasoacuteleo vatildeo para o

craqueador cataliacutetico entre 470 degC a 550 degC e de 689 kPa a 2067 kPa (10 Psi a

30 Psi) e por meio da interaccedilatildeo com os catalisadores (zeoacutelitas alumina-silicatos

argila em pellets ou poacute) 50 a 80 eacute craqueado em gasolina e em oacuteleo

combustiacutevel leve e pesado

Uma caracteriacutestica da operaccedilatildeo eacute a formaccedilatildeo de elevada porcentagem

de compostos aromaacuteticos A superfiacutecie do catalisador fica recoberta de depoacutesitos

de carbono leve e deve ser regenerada mediante aquecimento entre 540 degC a

650 degC em contato com o ar

18

Os destilados e o querosene cru satildeo tratados na planta de hidrogenaccedilatildeo

para conversatildeo destas matrizes em produtos de ponto de ebuliccedilatildeo mais baixos No

primeiro estaacutegio da operaccedilatildeo a 300 degC e pressatildeo de 206843 kPa (3000 Psi)

enxofre e nitrogecircnio satildeo removidos O craqueamento ocorre no segundo estaacutegio

no berccedilo cataliacutetico de cobalto-molibdecircnio ou cobalto-niacutequel em temperatura de

315 degC e pressatildeo de 103421 kPa (1500 Psi) Produtos apresentando larga faixa

de ebuliccedilatildeo satildeo formados e podem ser fracionados em produtos uacuteteis querosene

oacuteleo diesel e oacuteleo combustiacutevel leve

A nafta pesada contendo naftenos e parafinas eacute processada por meio

de unidades de reforma cataliacutetica que convertem o material a hidrocarbonetos

aromaacuteticos Esse processo eacute conduzido em temperatura elevada utilizando-se

como catalisador a platina o palaacutedio ou o niacutequel-cobalto O produto eacute utilizado

diretamente na refinaria para melhorar a octanagem da gasolina ou vendido para

petroquiacutemicas (Burgess 1997)

Em teoria as operaccedilotildees unitaacuterias da refinaccedilatildeo do oacuteleo parecem simples

na pratica satildeo bastante complicadas Uma refinaria consiste em uma ou mais

unidades aleacutem da unidade de destilaccedilatildeo que compreendem forno calefator de

oacuteleo torre de fracionamento retificadores a vapor equipamento de troca teacutermica

resfriadores e condensadores tambores de acumulo na unidade agitadores

descontiacutenuos ou unidade a tanquefechado de operaccedilatildeo continua (trata os produtos

e remove compostos nocivos de enxofre e atribui aos produtos uma cor aceitaacutevel)

filtros tanques de homogeneizaccedilatildeo e mistura da carga sistema de dutos para

recepccedilatildeo do oacuteleo cru bombas para transferecircncia dos oacuteleos e para carga e

embarque dos produtos tanques de estocagem do suprimento de oacuteleo e dos

produtos acabados sistema de recuperaccedilatildeo de vapor e diversos auxiliares

Deve-se incluir tambeacutem uma usina para geraccedilatildeo de vapor e

possivelmente de luz e eletricidade Na operaccedilatildeo dessa grande entidade os

balanccedilos de calor de energia e de massa satildeo da maior importacircncia para se

manterem riacutegidos controles de todas as etapas de processamento do oacuteleo

19

Na FIG 1 eacute mostrada uma representaccedilatildeo esquemaacutetica que exemplifica

um sistema baacutesico de refino com a separaccedilatildeo do oacuteleo cru nas diversas fraccedilotildees e

o tratamento subsequumlente de cada fraccedilatildeo os vaacuterios produtos satildeo removidos da

torre de oacuteleo cru conforme diagrama (Shreve 1977)

Gagraves

_ L xx fT ^

1 Oacuteleo cru

DESTILACcedilAtildeO DO OacuteLEO

CRU

As diversas operaccedilotildees e os vaacuterios produtos dependem da espeacuteice de oacuteleo que estaacute sendo destilada

Gasolina destilada

Nafta

REFORMA CATALITICA

Gasolina destilada

Gasolina de alta octanagem

S

uumlas liqueteito de petrograveleo

RECUPERACAtildeO DE GAacuteS Eacute

ESTABILIZACAtildeO DE GASOLINA

Isobutano

Butano

m ogt m ltigt

raquo c t l

Querosene ou oacuteleo combustiacutevel leve uuml

Gasoacuteleo

Gasoacuteleo i

Residuo

Residuo asfaacuteltico

Resiacuteduo de

lubrificante

pesaao

DESTILACcedilAtildeO ATMOSFEacuteRICA OU A VAacuteCUO

DESTILACAO A VAacuteCUO

DESTILACcedilAtildeO A VAacuteCULO

O l

r^ r CRAQUEAMENTO CATALIacuteTICO

1

-

Oleo 0U (

de fornalha )leo Diesel

Oleos combustiveis pesados

Oleo combustivel pesado

Asf 1105

diams Gasoacuteleo pesado

Oleo lubrificante destilado

Residuo de oacuteleo lubrificante

REFINA-CcedilAgraveOA SOL-

VFNTF

REFINA-CcedilAtildeOA SOL-

VENTE

ISOMERIZACcedilAtildeO

POLIME-RIZACcedilAtildeO

ALQUI-LACcedilAtildeO

Gasolina estabilizada

o Dusobuteno 8

(S s

HIDRO-GENACcedilIacuteO

o

d) 7 1 5 E -lt2 S

o

5

lt

ts S

HOMOGE

8

rmdash

NEIZACcedilAO Querosene

Oacuteleo de fornalha leve

Oacuteleo de fornalha

Oacuteleo Diesel

Oacuteleos combustiacuteveis pesados

Asfalto

1 amp iacute 8 o

DESPARA-FINACcedilAtildeO DESCO-

RAMENTO

Oleos lubrifican Oacuteleos

tes

Parafina O 1 1

HOMOGE-NEIZACAO

E EMBA-LAGEM

USINA DE REFINA-CAtildeODE

PAacuteRAFINA

Asfaltos

raquo-

mdashyen

mdash

mdash gt gt

Parafmas refinadas

Cozinha

Aeronaves

Automoacuteveis

Sitios e fazendas

Aquecimento domecircstico

Estradas de ferro

Faacutebricas

Embarcaccedilotildees

Estradas

Papel parafinado

Fonte Shreve 1977p593

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos comercializaacuteveis

21

32 Craqueamento cataliacutetico

O craqueamento cataliacutetico eacute um processo de quebra molecular Sua

carga eacute uma mistura de gasoacuteleo de vaacutecuo e oacuteleo desasfaltado que submetida a

condiccedilotildees bastante severas em presenccedila do catalisador eacute transformada em vaacuterias

outras fraccedilotildees mais leves produzindo gaacutes combustiacutevel gaacutes liquefeito nafta

gasoacuteleo leve (oacuteleo diesel de craqueamento) e gasoacuteleo pesado de craqueamento

(oacuteleo combustiacutevel) As reaccedilotildees produzem tambeacutem coque que se deposita no

catalisador e eacute queimado quando na regeneraccedilatildeo desse uacuteltimo gerando gaacutes de

combustatildeo de alto conteuacutedo energeacutetico usado na geraccedilatildeo de vapor de aacutegua de

alta pressatildeo

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial tomando

um notaacutevel impulso com este conflito em face agrave grande necessidade dos aliados

em relaccedilatildeo a suprimentos de gasolina e material petroquiacutemico para suas tropas

Com o fim da guerra o craqueamento cataliacutetico firmou-se principalmente em

funccedilatildeo da produccedilatildeo de nafta em maior quantidade de melhor qualidade e com

custos de produccedilatildeo bem inferiores aos outros processos existentes na eacutepoca

Eacute um processo destinado por excelecircncia agrave produccedilatildeo de nafta de alta

octanagem o derivado que aparece em maior quantidade de 50 a 65 do

volume em relaccedilatildeo agrave carga processada O segundo derivado em maior proporccedilatildeo

eacute o gaacutes liquefeito de petroacuteleo (GLP) de 25 a 40 do volume em relaccedilatildeo agrave carga

Em menores rendimentos temos tambeacutem o oacuteleo diesel de craqueamento Light

Cycle 07 (LCO) o oacuteleo combustiacutevel de craqueamento (oacuteleo decantado ou

clarificado) o gaacutes combustiacutevel e o gaacutes sulfiacutedrico (H2S) O coque gerado eacute

depositado no catalisadore queimado na regeneraccedilatildeo

A grande necessidade nacional de produccedilatildeo de GLP e principalmente

de gasolina ateacute o final dos anos setenta fez com que a PETROBRAS instalasse

este processo em todas as suas refinarias O craqueamento cataliacutetico tambeacutem

conhecido como Fluid Catalytic Cracking (FCC) eacute um processo de grande

versatilidade e de elevada rentabilidade no quadro atual do refino embora seja

tambeacutem uma unidade de alto investimento para sua implantaccedilatildeo (Abadie 2002)

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 16: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

16

Capiacutetulo 2

OBJETIVO

O presente trabalho tem como objetivo estudar os efeitos das radiaccedilotildees

ionizantes (raios gama e feixe de eleacutetrons) nos catalisadores desativados de Fluid

Catalytic Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC) para se viabilizar a

extraccedilatildeo de elementos quiacutemicos de alto valor agregado No caso dos catalisadores

de FCC tecircm-se como meta a extraccedilatildeo do lantacircnio (La203) a regeneraccedilatildeo e

utilizaccedilatildeo dos catalisadores jaacute para o catalisador de HCC a extraccedilatildeo do molibdecircnio

(M0O3)

17

Capiacutetulo 3

REVISAtildeO DA LITERATURA

31 A cataacutelise e o petroacuteleo

A primeira etapa de destilaccedilatildeo ocorre a pressatildeo atmosfeacuterica seguindo-

se uma seacuterie de estaacutegios com a retirada de aacutegua e dessalinizaccedilatildeo onde o oacuteleo eacute

processado em caldeiras para a vaporizaccedilatildeo parcial Eacute aquecido entre 340 degC a

345 degC antes do fracionamento O oacuteleo aquecido entra na torre de destilaccedilatildeo em

duas fraccedilotildees o vapor comeccedila a subir enquanto o petroacuteleo bruto reduzido natildeo

vaporizado eacute retirado pelo fundo da torre para o processamento de uma unidade

de destilaccedilatildeo a vaacutecuo O vapor resfria-se agrave medida que ascende e as fracccedilotildees de

elevado ponto de ebuliccedilatildeo se condensam nos pratos mais baixos Esse vapor

conteacutem alta porcentagem de hidrocarbonetos recuperaacuteveis com liacutequido

O gaacutes (gasoacuteleo) proveniente da destilaccedilatildeo simples e a vaacutecuo pode ser

processado no craqueamento cataliacutetico para produzir olefinas diolefinas

hidrocarbonetos aromaacuteticos e nafteno O oacuteleo pesado e o gasoacuteleo vatildeo para o

craqueador cataliacutetico entre 470 degC a 550 degC e de 689 kPa a 2067 kPa (10 Psi a

30 Psi) e por meio da interaccedilatildeo com os catalisadores (zeoacutelitas alumina-silicatos

argila em pellets ou poacute) 50 a 80 eacute craqueado em gasolina e em oacuteleo

combustiacutevel leve e pesado

Uma caracteriacutestica da operaccedilatildeo eacute a formaccedilatildeo de elevada porcentagem

de compostos aromaacuteticos A superfiacutecie do catalisador fica recoberta de depoacutesitos

de carbono leve e deve ser regenerada mediante aquecimento entre 540 degC a

650 degC em contato com o ar

18

Os destilados e o querosene cru satildeo tratados na planta de hidrogenaccedilatildeo

para conversatildeo destas matrizes em produtos de ponto de ebuliccedilatildeo mais baixos No

primeiro estaacutegio da operaccedilatildeo a 300 degC e pressatildeo de 206843 kPa (3000 Psi)

enxofre e nitrogecircnio satildeo removidos O craqueamento ocorre no segundo estaacutegio

no berccedilo cataliacutetico de cobalto-molibdecircnio ou cobalto-niacutequel em temperatura de

315 degC e pressatildeo de 103421 kPa (1500 Psi) Produtos apresentando larga faixa

de ebuliccedilatildeo satildeo formados e podem ser fracionados em produtos uacuteteis querosene

oacuteleo diesel e oacuteleo combustiacutevel leve

A nafta pesada contendo naftenos e parafinas eacute processada por meio

de unidades de reforma cataliacutetica que convertem o material a hidrocarbonetos

aromaacuteticos Esse processo eacute conduzido em temperatura elevada utilizando-se

como catalisador a platina o palaacutedio ou o niacutequel-cobalto O produto eacute utilizado

diretamente na refinaria para melhorar a octanagem da gasolina ou vendido para

petroquiacutemicas (Burgess 1997)

Em teoria as operaccedilotildees unitaacuterias da refinaccedilatildeo do oacuteleo parecem simples

na pratica satildeo bastante complicadas Uma refinaria consiste em uma ou mais

unidades aleacutem da unidade de destilaccedilatildeo que compreendem forno calefator de

oacuteleo torre de fracionamento retificadores a vapor equipamento de troca teacutermica

resfriadores e condensadores tambores de acumulo na unidade agitadores

descontiacutenuos ou unidade a tanquefechado de operaccedilatildeo continua (trata os produtos

e remove compostos nocivos de enxofre e atribui aos produtos uma cor aceitaacutevel)

filtros tanques de homogeneizaccedilatildeo e mistura da carga sistema de dutos para

recepccedilatildeo do oacuteleo cru bombas para transferecircncia dos oacuteleos e para carga e

embarque dos produtos tanques de estocagem do suprimento de oacuteleo e dos

produtos acabados sistema de recuperaccedilatildeo de vapor e diversos auxiliares

Deve-se incluir tambeacutem uma usina para geraccedilatildeo de vapor e

possivelmente de luz e eletricidade Na operaccedilatildeo dessa grande entidade os

balanccedilos de calor de energia e de massa satildeo da maior importacircncia para se

manterem riacutegidos controles de todas as etapas de processamento do oacuteleo

19

Na FIG 1 eacute mostrada uma representaccedilatildeo esquemaacutetica que exemplifica

um sistema baacutesico de refino com a separaccedilatildeo do oacuteleo cru nas diversas fraccedilotildees e

o tratamento subsequumlente de cada fraccedilatildeo os vaacuterios produtos satildeo removidos da

torre de oacuteleo cru conforme diagrama (Shreve 1977)

Gagraves

_ L xx fT ^

1 Oacuteleo cru

DESTILACcedilAtildeO DO OacuteLEO

CRU

As diversas operaccedilotildees e os vaacuterios produtos dependem da espeacuteice de oacuteleo que estaacute sendo destilada

Gasolina destilada

Nafta

REFORMA CATALITICA

Gasolina destilada

Gasolina de alta octanagem

S

uumlas liqueteito de petrograveleo

RECUPERACAtildeO DE GAacuteS Eacute

ESTABILIZACAtildeO DE GASOLINA

Isobutano

Butano

m ogt m ltigt

raquo c t l

Querosene ou oacuteleo combustiacutevel leve uuml

Gasoacuteleo

Gasoacuteleo i

Residuo

Residuo asfaacuteltico

Resiacuteduo de

lubrificante

pesaao

DESTILACcedilAtildeO ATMOSFEacuteRICA OU A VAacuteCUO

DESTILACAO A VAacuteCUO

DESTILACcedilAtildeO A VAacuteCULO

O l

r^ r CRAQUEAMENTO CATALIacuteTICO

1

-

Oleo 0U (

de fornalha )leo Diesel

Oleos combustiveis pesados

Oleo combustivel pesado

Asf 1105

diams Gasoacuteleo pesado

Oleo lubrificante destilado

Residuo de oacuteleo lubrificante

REFINA-CcedilAgraveOA SOL-

VFNTF

REFINA-CcedilAtildeOA SOL-

VENTE

ISOMERIZACcedilAtildeO

POLIME-RIZACcedilAtildeO

ALQUI-LACcedilAtildeO

Gasolina estabilizada

o Dusobuteno 8

(S s

HIDRO-GENACcedilIacuteO

o

d) 7 1 5 E -lt2 S

o

5

lt

ts S

HOMOGE

8

rmdash

NEIZACcedilAO Querosene

Oacuteleo de fornalha leve

Oacuteleo de fornalha

Oacuteleo Diesel

Oacuteleos combustiacuteveis pesados

Asfalto

1 amp iacute 8 o

DESPARA-FINACcedilAtildeO DESCO-

RAMENTO

Oleos lubrifican Oacuteleos

tes

Parafina O 1 1

HOMOGE-NEIZACAO

E EMBA-LAGEM

USINA DE REFINA-CAtildeODE

PAacuteRAFINA

Asfaltos

raquo-

mdashyen

mdash

mdash gt gt

Parafmas refinadas

Cozinha

Aeronaves

Automoacuteveis

Sitios e fazendas

Aquecimento domecircstico

Estradas de ferro

Faacutebricas

Embarcaccedilotildees

Estradas

Papel parafinado

Fonte Shreve 1977p593

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos comercializaacuteveis

21

32 Craqueamento cataliacutetico

O craqueamento cataliacutetico eacute um processo de quebra molecular Sua

carga eacute uma mistura de gasoacuteleo de vaacutecuo e oacuteleo desasfaltado que submetida a

condiccedilotildees bastante severas em presenccedila do catalisador eacute transformada em vaacuterias

outras fraccedilotildees mais leves produzindo gaacutes combustiacutevel gaacutes liquefeito nafta

gasoacuteleo leve (oacuteleo diesel de craqueamento) e gasoacuteleo pesado de craqueamento

(oacuteleo combustiacutevel) As reaccedilotildees produzem tambeacutem coque que se deposita no

catalisador e eacute queimado quando na regeneraccedilatildeo desse uacuteltimo gerando gaacutes de

combustatildeo de alto conteuacutedo energeacutetico usado na geraccedilatildeo de vapor de aacutegua de

alta pressatildeo

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial tomando

um notaacutevel impulso com este conflito em face agrave grande necessidade dos aliados

em relaccedilatildeo a suprimentos de gasolina e material petroquiacutemico para suas tropas

Com o fim da guerra o craqueamento cataliacutetico firmou-se principalmente em

funccedilatildeo da produccedilatildeo de nafta em maior quantidade de melhor qualidade e com

custos de produccedilatildeo bem inferiores aos outros processos existentes na eacutepoca

Eacute um processo destinado por excelecircncia agrave produccedilatildeo de nafta de alta

octanagem o derivado que aparece em maior quantidade de 50 a 65 do

volume em relaccedilatildeo agrave carga processada O segundo derivado em maior proporccedilatildeo

eacute o gaacutes liquefeito de petroacuteleo (GLP) de 25 a 40 do volume em relaccedilatildeo agrave carga

Em menores rendimentos temos tambeacutem o oacuteleo diesel de craqueamento Light

Cycle 07 (LCO) o oacuteleo combustiacutevel de craqueamento (oacuteleo decantado ou

clarificado) o gaacutes combustiacutevel e o gaacutes sulfiacutedrico (H2S) O coque gerado eacute

depositado no catalisadore queimado na regeneraccedilatildeo

A grande necessidade nacional de produccedilatildeo de GLP e principalmente

de gasolina ateacute o final dos anos setenta fez com que a PETROBRAS instalasse

este processo em todas as suas refinarias O craqueamento cataliacutetico tambeacutem

conhecido como Fluid Catalytic Cracking (FCC) eacute um processo de grande

versatilidade e de elevada rentabilidade no quadro atual do refino embora seja

tambeacutem uma unidade de alto investimento para sua implantaccedilatildeo (Abadie 2002)

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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2 ADIGAMOV BYA LUNIN VV MIROSHNICHENKO II et at Vestn Mosk Univ Ser 2 Khim Vol 29 p 395 1988

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Page 17: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

17

Capiacutetulo 3

REVISAtildeO DA LITERATURA

31 A cataacutelise e o petroacuteleo

A primeira etapa de destilaccedilatildeo ocorre a pressatildeo atmosfeacuterica seguindo-

se uma seacuterie de estaacutegios com a retirada de aacutegua e dessalinizaccedilatildeo onde o oacuteleo eacute

processado em caldeiras para a vaporizaccedilatildeo parcial Eacute aquecido entre 340 degC a

345 degC antes do fracionamento O oacuteleo aquecido entra na torre de destilaccedilatildeo em

duas fraccedilotildees o vapor comeccedila a subir enquanto o petroacuteleo bruto reduzido natildeo

vaporizado eacute retirado pelo fundo da torre para o processamento de uma unidade

de destilaccedilatildeo a vaacutecuo O vapor resfria-se agrave medida que ascende e as fracccedilotildees de

elevado ponto de ebuliccedilatildeo se condensam nos pratos mais baixos Esse vapor

conteacutem alta porcentagem de hidrocarbonetos recuperaacuteveis com liacutequido

O gaacutes (gasoacuteleo) proveniente da destilaccedilatildeo simples e a vaacutecuo pode ser

processado no craqueamento cataliacutetico para produzir olefinas diolefinas

hidrocarbonetos aromaacuteticos e nafteno O oacuteleo pesado e o gasoacuteleo vatildeo para o

craqueador cataliacutetico entre 470 degC a 550 degC e de 689 kPa a 2067 kPa (10 Psi a

30 Psi) e por meio da interaccedilatildeo com os catalisadores (zeoacutelitas alumina-silicatos

argila em pellets ou poacute) 50 a 80 eacute craqueado em gasolina e em oacuteleo

combustiacutevel leve e pesado

Uma caracteriacutestica da operaccedilatildeo eacute a formaccedilatildeo de elevada porcentagem

de compostos aromaacuteticos A superfiacutecie do catalisador fica recoberta de depoacutesitos

de carbono leve e deve ser regenerada mediante aquecimento entre 540 degC a

650 degC em contato com o ar

18

Os destilados e o querosene cru satildeo tratados na planta de hidrogenaccedilatildeo

para conversatildeo destas matrizes em produtos de ponto de ebuliccedilatildeo mais baixos No

primeiro estaacutegio da operaccedilatildeo a 300 degC e pressatildeo de 206843 kPa (3000 Psi)

enxofre e nitrogecircnio satildeo removidos O craqueamento ocorre no segundo estaacutegio

no berccedilo cataliacutetico de cobalto-molibdecircnio ou cobalto-niacutequel em temperatura de

315 degC e pressatildeo de 103421 kPa (1500 Psi) Produtos apresentando larga faixa

de ebuliccedilatildeo satildeo formados e podem ser fracionados em produtos uacuteteis querosene

oacuteleo diesel e oacuteleo combustiacutevel leve

A nafta pesada contendo naftenos e parafinas eacute processada por meio

de unidades de reforma cataliacutetica que convertem o material a hidrocarbonetos

aromaacuteticos Esse processo eacute conduzido em temperatura elevada utilizando-se

como catalisador a platina o palaacutedio ou o niacutequel-cobalto O produto eacute utilizado

diretamente na refinaria para melhorar a octanagem da gasolina ou vendido para

petroquiacutemicas (Burgess 1997)

Em teoria as operaccedilotildees unitaacuterias da refinaccedilatildeo do oacuteleo parecem simples

na pratica satildeo bastante complicadas Uma refinaria consiste em uma ou mais

unidades aleacutem da unidade de destilaccedilatildeo que compreendem forno calefator de

oacuteleo torre de fracionamento retificadores a vapor equipamento de troca teacutermica

resfriadores e condensadores tambores de acumulo na unidade agitadores

descontiacutenuos ou unidade a tanquefechado de operaccedilatildeo continua (trata os produtos

e remove compostos nocivos de enxofre e atribui aos produtos uma cor aceitaacutevel)

filtros tanques de homogeneizaccedilatildeo e mistura da carga sistema de dutos para

recepccedilatildeo do oacuteleo cru bombas para transferecircncia dos oacuteleos e para carga e

embarque dos produtos tanques de estocagem do suprimento de oacuteleo e dos

produtos acabados sistema de recuperaccedilatildeo de vapor e diversos auxiliares

Deve-se incluir tambeacutem uma usina para geraccedilatildeo de vapor e

possivelmente de luz e eletricidade Na operaccedilatildeo dessa grande entidade os

balanccedilos de calor de energia e de massa satildeo da maior importacircncia para se

manterem riacutegidos controles de todas as etapas de processamento do oacuteleo

19

Na FIG 1 eacute mostrada uma representaccedilatildeo esquemaacutetica que exemplifica

um sistema baacutesico de refino com a separaccedilatildeo do oacuteleo cru nas diversas fraccedilotildees e

o tratamento subsequumlente de cada fraccedilatildeo os vaacuterios produtos satildeo removidos da

torre de oacuteleo cru conforme diagrama (Shreve 1977)

Gagraves

_ L xx fT ^

1 Oacuteleo cru

DESTILACcedilAtildeO DO OacuteLEO

CRU

As diversas operaccedilotildees e os vaacuterios produtos dependem da espeacuteice de oacuteleo que estaacute sendo destilada

Gasolina destilada

Nafta

REFORMA CATALITICA

Gasolina destilada

Gasolina de alta octanagem

S

uumlas liqueteito de petrograveleo

RECUPERACAtildeO DE GAacuteS Eacute

ESTABILIZACAtildeO DE GASOLINA

Isobutano

Butano

m ogt m ltigt

raquo c t l

Querosene ou oacuteleo combustiacutevel leve uuml

Gasoacuteleo

Gasoacuteleo i

Residuo

Residuo asfaacuteltico

Resiacuteduo de

lubrificante

pesaao

DESTILACcedilAtildeO ATMOSFEacuteRICA OU A VAacuteCUO

DESTILACAO A VAacuteCUO

DESTILACcedilAtildeO A VAacuteCULO

O l

r^ r CRAQUEAMENTO CATALIacuteTICO

1

-

Oleo 0U (

de fornalha )leo Diesel

Oleos combustiveis pesados

Oleo combustivel pesado

Asf 1105

diams Gasoacuteleo pesado

Oleo lubrificante destilado

Residuo de oacuteleo lubrificante

REFINA-CcedilAgraveOA SOL-

VFNTF

REFINA-CcedilAtildeOA SOL-

VENTE

ISOMERIZACcedilAtildeO

POLIME-RIZACcedilAtildeO

ALQUI-LACcedilAtildeO

Gasolina estabilizada

o Dusobuteno 8

(S s

HIDRO-GENACcedilIacuteO

o

d) 7 1 5 E -lt2 S

o

5

lt

ts S

HOMOGE

8

rmdash

NEIZACcedilAO Querosene

Oacuteleo de fornalha leve

Oacuteleo de fornalha

Oacuteleo Diesel

Oacuteleos combustiacuteveis pesados

Asfalto

1 amp iacute 8 o

DESPARA-FINACcedilAtildeO DESCO-

RAMENTO

Oleos lubrifican Oacuteleos

tes

Parafina O 1 1

HOMOGE-NEIZACAO

E EMBA-LAGEM

USINA DE REFINA-CAtildeODE

PAacuteRAFINA

Asfaltos

raquo-

mdashyen

mdash

mdash gt gt

Parafmas refinadas

Cozinha

Aeronaves

Automoacuteveis

Sitios e fazendas

Aquecimento domecircstico

Estradas de ferro

Faacutebricas

Embarcaccedilotildees

Estradas

Papel parafinado

Fonte Shreve 1977p593

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos comercializaacuteveis

21

32 Craqueamento cataliacutetico

O craqueamento cataliacutetico eacute um processo de quebra molecular Sua

carga eacute uma mistura de gasoacuteleo de vaacutecuo e oacuteleo desasfaltado que submetida a

condiccedilotildees bastante severas em presenccedila do catalisador eacute transformada em vaacuterias

outras fraccedilotildees mais leves produzindo gaacutes combustiacutevel gaacutes liquefeito nafta

gasoacuteleo leve (oacuteleo diesel de craqueamento) e gasoacuteleo pesado de craqueamento

(oacuteleo combustiacutevel) As reaccedilotildees produzem tambeacutem coque que se deposita no

catalisador e eacute queimado quando na regeneraccedilatildeo desse uacuteltimo gerando gaacutes de

combustatildeo de alto conteuacutedo energeacutetico usado na geraccedilatildeo de vapor de aacutegua de

alta pressatildeo

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial tomando

um notaacutevel impulso com este conflito em face agrave grande necessidade dos aliados

em relaccedilatildeo a suprimentos de gasolina e material petroquiacutemico para suas tropas

Com o fim da guerra o craqueamento cataliacutetico firmou-se principalmente em

funccedilatildeo da produccedilatildeo de nafta em maior quantidade de melhor qualidade e com

custos de produccedilatildeo bem inferiores aos outros processos existentes na eacutepoca

Eacute um processo destinado por excelecircncia agrave produccedilatildeo de nafta de alta

octanagem o derivado que aparece em maior quantidade de 50 a 65 do

volume em relaccedilatildeo agrave carga processada O segundo derivado em maior proporccedilatildeo

eacute o gaacutes liquefeito de petroacuteleo (GLP) de 25 a 40 do volume em relaccedilatildeo agrave carga

Em menores rendimentos temos tambeacutem o oacuteleo diesel de craqueamento Light

Cycle 07 (LCO) o oacuteleo combustiacutevel de craqueamento (oacuteleo decantado ou

clarificado) o gaacutes combustiacutevel e o gaacutes sulfiacutedrico (H2S) O coque gerado eacute

depositado no catalisadore queimado na regeneraccedilatildeo

A grande necessidade nacional de produccedilatildeo de GLP e principalmente

de gasolina ateacute o final dos anos setenta fez com que a PETROBRAS instalasse

este processo em todas as suas refinarias O craqueamento cataliacutetico tambeacutem

conhecido como Fluid Catalytic Cracking (FCC) eacute um processo de grande

versatilidade e de elevada rentabilidade no quadro atual do refino embora seja

tambeacutem uma unidade de alto investimento para sua implantaccedilatildeo (Abadie 2002)

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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46 YOUSSEF AM EL-NABARAWY TH MOSTAFA MR Modification of surface properties of silica-alumina by irradiation with gamma-rays Radiat Phys Chem p 439 - 443 Vol 36 1990

47 YU ZS CHEN MB Rare Earth Elements and Their Applications Metallurgical Industry Press Beijing (PR China) 1995

48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 18: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

18

Os destilados e o querosene cru satildeo tratados na planta de hidrogenaccedilatildeo

para conversatildeo destas matrizes em produtos de ponto de ebuliccedilatildeo mais baixos No

primeiro estaacutegio da operaccedilatildeo a 300 degC e pressatildeo de 206843 kPa (3000 Psi)

enxofre e nitrogecircnio satildeo removidos O craqueamento ocorre no segundo estaacutegio

no berccedilo cataliacutetico de cobalto-molibdecircnio ou cobalto-niacutequel em temperatura de

315 degC e pressatildeo de 103421 kPa (1500 Psi) Produtos apresentando larga faixa

de ebuliccedilatildeo satildeo formados e podem ser fracionados em produtos uacuteteis querosene

oacuteleo diesel e oacuteleo combustiacutevel leve

A nafta pesada contendo naftenos e parafinas eacute processada por meio

de unidades de reforma cataliacutetica que convertem o material a hidrocarbonetos

aromaacuteticos Esse processo eacute conduzido em temperatura elevada utilizando-se

como catalisador a platina o palaacutedio ou o niacutequel-cobalto O produto eacute utilizado

diretamente na refinaria para melhorar a octanagem da gasolina ou vendido para

petroquiacutemicas (Burgess 1997)

Em teoria as operaccedilotildees unitaacuterias da refinaccedilatildeo do oacuteleo parecem simples

na pratica satildeo bastante complicadas Uma refinaria consiste em uma ou mais

unidades aleacutem da unidade de destilaccedilatildeo que compreendem forno calefator de

oacuteleo torre de fracionamento retificadores a vapor equipamento de troca teacutermica

resfriadores e condensadores tambores de acumulo na unidade agitadores

descontiacutenuos ou unidade a tanquefechado de operaccedilatildeo continua (trata os produtos

e remove compostos nocivos de enxofre e atribui aos produtos uma cor aceitaacutevel)

filtros tanques de homogeneizaccedilatildeo e mistura da carga sistema de dutos para

recepccedilatildeo do oacuteleo cru bombas para transferecircncia dos oacuteleos e para carga e

embarque dos produtos tanques de estocagem do suprimento de oacuteleo e dos

produtos acabados sistema de recuperaccedilatildeo de vapor e diversos auxiliares

Deve-se incluir tambeacutem uma usina para geraccedilatildeo de vapor e

possivelmente de luz e eletricidade Na operaccedilatildeo dessa grande entidade os

balanccedilos de calor de energia e de massa satildeo da maior importacircncia para se

manterem riacutegidos controles de todas as etapas de processamento do oacuteleo

19

Na FIG 1 eacute mostrada uma representaccedilatildeo esquemaacutetica que exemplifica

um sistema baacutesico de refino com a separaccedilatildeo do oacuteleo cru nas diversas fraccedilotildees e

o tratamento subsequumlente de cada fraccedilatildeo os vaacuterios produtos satildeo removidos da

torre de oacuteleo cru conforme diagrama (Shreve 1977)

Gagraves

_ L xx fT ^

1 Oacuteleo cru

DESTILACcedilAtildeO DO OacuteLEO

CRU

As diversas operaccedilotildees e os vaacuterios produtos dependem da espeacuteice de oacuteleo que estaacute sendo destilada

Gasolina destilada

Nafta

REFORMA CATALITICA

Gasolina destilada

Gasolina de alta octanagem

S

uumlas liqueteito de petrograveleo

RECUPERACAtildeO DE GAacuteS Eacute

ESTABILIZACAtildeO DE GASOLINA

Isobutano

Butano

m ogt m ltigt

raquo c t l

Querosene ou oacuteleo combustiacutevel leve uuml

Gasoacuteleo

Gasoacuteleo i

Residuo

Residuo asfaacuteltico

Resiacuteduo de

lubrificante

pesaao

DESTILACcedilAtildeO ATMOSFEacuteRICA OU A VAacuteCUO

DESTILACAO A VAacuteCUO

DESTILACcedilAtildeO A VAacuteCULO

O l

r^ r CRAQUEAMENTO CATALIacuteTICO

1

-

Oleo 0U (

de fornalha )leo Diesel

Oleos combustiveis pesados

Oleo combustivel pesado

Asf 1105

diams Gasoacuteleo pesado

Oleo lubrificante destilado

Residuo de oacuteleo lubrificante

REFINA-CcedilAgraveOA SOL-

VFNTF

REFINA-CcedilAtildeOA SOL-

VENTE

ISOMERIZACcedilAtildeO

POLIME-RIZACcedilAtildeO

ALQUI-LACcedilAtildeO

Gasolina estabilizada

o Dusobuteno 8

(S s

HIDRO-GENACcedilIacuteO

o

d) 7 1 5 E -lt2 S

o

5

lt

ts S

HOMOGE

8

rmdash

NEIZACcedilAO Querosene

Oacuteleo de fornalha leve

Oacuteleo de fornalha

Oacuteleo Diesel

Oacuteleos combustiacuteveis pesados

Asfalto

1 amp iacute 8 o

DESPARA-FINACcedilAtildeO DESCO-

RAMENTO

Oleos lubrifican Oacuteleos

tes

Parafina O 1 1

HOMOGE-NEIZACAO

E EMBA-LAGEM

USINA DE REFINA-CAtildeODE

PAacuteRAFINA

Asfaltos

raquo-

mdashyen

mdash

mdash gt gt

Parafmas refinadas

Cozinha

Aeronaves

Automoacuteveis

Sitios e fazendas

Aquecimento domecircstico

Estradas de ferro

Faacutebricas

Embarcaccedilotildees

Estradas

Papel parafinado

Fonte Shreve 1977p593

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos comercializaacuteveis

21

32 Craqueamento cataliacutetico

O craqueamento cataliacutetico eacute um processo de quebra molecular Sua

carga eacute uma mistura de gasoacuteleo de vaacutecuo e oacuteleo desasfaltado que submetida a

condiccedilotildees bastante severas em presenccedila do catalisador eacute transformada em vaacuterias

outras fraccedilotildees mais leves produzindo gaacutes combustiacutevel gaacutes liquefeito nafta

gasoacuteleo leve (oacuteleo diesel de craqueamento) e gasoacuteleo pesado de craqueamento

(oacuteleo combustiacutevel) As reaccedilotildees produzem tambeacutem coque que se deposita no

catalisador e eacute queimado quando na regeneraccedilatildeo desse uacuteltimo gerando gaacutes de

combustatildeo de alto conteuacutedo energeacutetico usado na geraccedilatildeo de vapor de aacutegua de

alta pressatildeo

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial tomando

um notaacutevel impulso com este conflito em face agrave grande necessidade dos aliados

em relaccedilatildeo a suprimentos de gasolina e material petroquiacutemico para suas tropas

Com o fim da guerra o craqueamento cataliacutetico firmou-se principalmente em

funccedilatildeo da produccedilatildeo de nafta em maior quantidade de melhor qualidade e com

custos de produccedilatildeo bem inferiores aos outros processos existentes na eacutepoca

Eacute um processo destinado por excelecircncia agrave produccedilatildeo de nafta de alta

octanagem o derivado que aparece em maior quantidade de 50 a 65 do

volume em relaccedilatildeo agrave carga processada O segundo derivado em maior proporccedilatildeo

eacute o gaacutes liquefeito de petroacuteleo (GLP) de 25 a 40 do volume em relaccedilatildeo agrave carga

Em menores rendimentos temos tambeacutem o oacuteleo diesel de craqueamento Light

Cycle 07 (LCO) o oacuteleo combustiacutevel de craqueamento (oacuteleo decantado ou

clarificado) o gaacutes combustiacutevel e o gaacutes sulfiacutedrico (H2S) O coque gerado eacute

depositado no catalisadore queimado na regeneraccedilatildeo

A grande necessidade nacional de produccedilatildeo de GLP e principalmente

de gasolina ateacute o final dos anos setenta fez com que a PETROBRAS instalasse

este processo em todas as suas refinarias O craqueamento cataliacutetico tambeacutem

conhecido como Fluid Catalytic Cracking (FCC) eacute um processo de grande

versatilidade e de elevada rentabilidade no quadro atual do refino embora seja

tambeacutem uma unidade de alto investimento para sua implantaccedilatildeo (Abadie 2002)

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 19: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

19

Na FIG 1 eacute mostrada uma representaccedilatildeo esquemaacutetica que exemplifica

um sistema baacutesico de refino com a separaccedilatildeo do oacuteleo cru nas diversas fraccedilotildees e

o tratamento subsequumlente de cada fraccedilatildeo os vaacuterios produtos satildeo removidos da

torre de oacuteleo cru conforme diagrama (Shreve 1977)

Gagraves

_ L xx fT ^

1 Oacuteleo cru

DESTILACcedilAtildeO DO OacuteLEO

CRU

As diversas operaccedilotildees e os vaacuterios produtos dependem da espeacuteice de oacuteleo que estaacute sendo destilada

Gasolina destilada

Nafta

REFORMA CATALITICA

Gasolina destilada

Gasolina de alta octanagem

S

uumlas liqueteito de petrograveleo

RECUPERACAtildeO DE GAacuteS Eacute

ESTABILIZACAtildeO DE GASOLINA

Isobutano

Butano

m ogt m ltigt

raquo c t l

Querosene ou oacuteleo combustiacutevel leve uuml

Gasoacuteleo

Gasoacuteleo i

Residuo

Residuo asfaacuteltico

Resiacuteduo de

lubrificante

pesaao

DESTILACcedilAtildeO ATMOSFEacuteRICA OU A VAacuteCUO

DESTILACAO A VAacuteCUO

DESTILACcedilAtildeO A VAacuteCULO

O l

r^ r CRAQUEAMENTO CATALIacuteTICO

1

-

Oleo 0U (

de fornalha )leo Diesel

Oleos combustiveis pesados

Oleo combustivel pesado

Asf 1105

diams Gasoacuteleo pesado

Oleo lubrificante destilado

Residuo de oacuteleo lubrificante

REFINA-CcedilAgraveOA SOL-

VFNTF

REFINA-CcedilAtildeOA SOL-

VENTE

ISOMERIZACcedilAtildeO

POLIME-RIZACcedilAtildeO

ALQUI-LACcedilAtildeO

Gasolina estabilizada

o Dusobuteno 8

(S s

HIDRO-GENACcedilIacuteO

o

d) 7 1 5 E -lt2 S

o

5

lt

ts S

HOMOGE

8

rmdash

NEIZACcedilAO Querosene

Oacuteleo de fornalha leve

Oacuteleo de fornalha

Oacuteleo Diesel

Oacuteleos combustiacuteveis pesados

Asfalto

1 amp iacute 8 o

DESPARA-FINACcedilAtildeO DESCO-

RAMENTO

Oleos lubrifican Oacuteleos

tes

Parafina O 1 1

HOMOGE-NEIZACAO

E EMBA-LAGEM

USINA DE REFINA-CAtildeODE

PAacuteRAFINA

Asfaltos

raquo-

mdashyen

mdash

mdash gt gt

Parafmas refinadas

Cozinha

Aeronaves

Automoacuteveis

Sitios e fazendas

Aquecimento domecircstico

Estradas de ferro

Faacutebricas

Embarcaccedilotildees

Estradas

Papel parafinado

Fonte Shreve 1977p593

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos comercializaacuteveis

21

32 Craqueamento cataliacutetico

O craqueamento cataliacutetico eacute um processo de quebra molecular Sua

carga eacute uma mistura de gasoacuteleo de vaacutecuo e oacuteleo desasfaltado que submetida a

condiccedilotildees bastante severas em presenccedila do catalisador eacute transformada em vaacuterias

outras fraccedilotildees mais leves produzindo gaacutes combustiacutevel gaacutes liquefeito nafta

gasoacuteleo leve (oacuteleo diesel de craqueamento) e gasoacuteleo pesado de craqueamento

(oacuteleo combustiacutevel) As reaccedilotildees produzem tambeacutem coque que se deposita no

catalisador e eacute queimado quando na regeneraccedilatildeo desse uacuteltimo gerando gaacutes de

combustatildeo de alto conteuacutedo energeacutetico usado na geraccedilatildeo de vapor de aacutegua de

alta pressatildeo

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial tomando

um notaacutevel impulso com este conflito em face agrave grande necessidade dos aliados

em relaccedilatildeo a suprimentos de gasolina e material petroquiacutemico para suas tropas

Com o fim da guerra o craqueamento cataliacutetico firmou-se principalmente em

funccedilatildeo da produccedilatildeo de nafta em maior quantidade de melhor qualidade e com

custos de produccedilatildeo bem inferiores aos outros processos existentes na eacutepoca

Eacute um processo destinado por excelecircncia agrave produccedilatildeo de nafta de alta

octanagem o derivado que aparece em maior quantidade de 50 a 65 do

volume em relaccedilatildeo agrave carga processada O segundo derivado em maior proporccedilatildeo

eacute o gaacutes liquefeito de petroacuteleo (GLP) de 25 a 40 do volume em relaccedilatildeo agrave carga

Em menores rendimentos temos tambeacutem o oacuteleo diesel de craqueamento Light

Cycle 07 (LCO) o oacuteleo combustiacutevel de craqueamento (oacuteleo decantado ou

clarificado) o gaacutes combustiacutevel e o gaacutes sulfiacutedrico (H2S) O coque gerado eacute

depositado no catalisadore queimado na regeneraccedilatildeo

A grande necessidade nacional de produccedilatildeo de GLP e principalmente

de gasolina ateacute o final dos anos setenta fez com que a PETROBRAS instalasse

este processo em todas as suas refinarias O craqueamento cataliacutetico tambeacutem

conhecido como Fluid Catalytic Cracking (FCC) eacute um processo de grande

versatilidade e de elevada rentabilidade no quadro atual do refino embora seja

tambeacutem uma unidade de alto investimento para sua implantaccedilatildeo (Abadie 2002)

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 20: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

Gagraves

_ L xx fT ^

1 Oacuteleo cru

DESTILACcedilAtildeO DO OacuteLEO

CRU

As diversas operaccedilotildees e os vaacuterios produtos dependem da espeacuteice de oacuteleo que estaacute sendo destilada

Gasolina destilada

Nafta

REFORMA CATALITICA

Gasolina destilada

Gasolina de alta octanagem

S

uumlas liqueteito de petrograveleo

RECUPERACAtildeO DE GAacuteS Eacute

ESTABILIZACAtildeO DE GASOLINA

Isobutano

Butano

m ogt m ltigt

raquo c t l

Querosene ou oacuteleo combustiacutevel leve uuml

Gasoacuteleo

Gasoacuteleo i

Residuo

Residuo asfaacuteltico

Resiacuteduo de

lubrificante

pesaao

DESTILACcedilAtildeO ATMOSFEacuteRICA OU A VAacuteCUO

DESTILACAO A VAacuteCUO

DESTILACcedilAtildeO A VAacuteCULO

O l

r^ r CRAQUEAMENTO CATALIacuteTICO

1

-

Oleo 0U (

de fornalha )leo Diesel

Oleos combustiveis pesados

Oleo combustivel pesado

Asf 1105

diams Gasoacuteleo pesado

Oleo lubrificante destilado

Residuo de oacuteleo lubrificante

REFINA-CcedilAgraveOA SOL-

VFNTF

REFINA-CcedilAtildeOA SOL-

VENTE

ISOMERIZACcedilAtildeO

POLIME-RIZACcedilAtildeO

ALQUI-LACcedilAtildeO

Gasolina estabilizada

o Dusobuteno 8

(S s

HIDRO-GENACcedilIacuteO

o

d) 7 1 5 E -lt2 S

o

5

lt

ts S

HOMOGE

8

rmdash

NEIZACcedilAO Querosene

Oacuteleo de fornalha leve

Oacuteleo de fornalha

Oacuteleo Diesel

Oacuteleos combustiacuteveis pesados

Asfalto

1 amp iacute 8 o

DESPARA-FINACcedilAtildeO DESCO-

RAMENTO

Oleos lubrifican Oacuteleos

tes

Parafina O 1 1

HOMOGE-NEIZACAO

E EMBA-LAGEM

USINA DE REFINA-CAtildeODE

PAacuteRAFINA

Asfaltos

raquo-

mdashyen

mdash

mdash gt gt

Parafmas refinadas

Cozinha

Aeronaves

Automoacuteveis

Sitios e fazendas

Aquecimento domecircstico

Estradas de ferro

Faacutebricas

Embarcaccedilotildees

Estradas

Papel parafinado

Fonte Shreve 1977p593

FIGURA 1 - Diagrama geral da refinaccedilatildeo do oacuteleo cru ateacute os produtos comercializaacuteveis

21

32 Craqueamento cataliacutetico

O craqueamento cataliacutetico eacute um processo de quebra molecular Sua

carga eacute uma mistura de gasoacuteleo de vaacutecuo e oacuteleo desasfaltado que submetida a

condiccedilotildees bastante severas em presenccedila do catalisador eacute transformada em vaacuterias

outras fraccedilotildees mais leves produzindo gaacutes combustiacutevel gaacutes liquefeito nafta

gasoacuteleo leve (oacuteleo diesel de craqueamento) e gasoacuteleo pesado de craqueamento

(oacuteleo combustiacutevel) As reaccedilotildees produzem tambeacutem coque que se deposita no

catalisador e eacute queimado quando na regeneraccedilatildeo desse uacuteltimo gerando gaacutes de

combustatildeo de alto conteuacutedo energeacutetico usado na geraccedilatildeo de vapor de aacutegua de

alta pressatildeo

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial tomando

um notaacutevel impulso com este conflito em face agrave grande necessidade dos aliados

em relaccedilatildeo a suprimentos de gasolina e material petroquiacutemico para suas tropas

Com o fim da guerra o craqueamento cataliacutetico firmou-se principalmente em

funccedilatildeo da produccedilatildeo de nafta em maior quantidade de melhor qualidade e com

custos de produccedilatildeo bem inferiores aos outros processos existentes na eacutepoca

Eacute um processo destinado por excelecircncia agrave produccedilatildeo de nafta de alta

octanagem o derivado que aparece em maior quantidade de 50 a 65 do

volume em relaccedilatildeo agrave carga processada O segundo derivado em maior proporccedilatildeo

eacute o gaacutes liquefeito de petroacuteleo (GLP) de 25 a 40 do volume em relaccedilatildeo agrave carga

Em menores rendimentos temos tambeacutem o oacuteleo diesel de craqueamento Light

Cycle 07 (LCO) o oacuteleo combustiacutevel de craqueamento (oacuteleo decantado ou

clarificado) o gaacutes combustiacutevel e o gaacutes sulfiacutedrico (H2S) O coque gerado eacute

depositado no catalisadore queimado na regeneraccedilatildeo

A grande necessidade nacional de produccedilatildeo de GLP e principalmente

de gasolina ateacute o final dos anos setenta fez com que a PETROBRAS instalasse

este processo em todas as suas refinarias O craqueamento cataliacutetico tambeacutem

conhecido como Fluid Catalytic Cracking (FCC) eacute um processo de grande

versatilidade e de elevada rentabilidade no quadro atual do refino embora seja

tambeacutem uma unidade de alto investimento para sua implantaccedilatildeo (Abadie 2002)

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 21: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

21

32 Craqueamento cataliacutetico

O craqueamento cataliacutetico eacute um processo de quebra molecular Sua

carga eacute uma mistura de gasoacuteleo de vaacutecuo e oacuteleo desasfaltado que submetida a

condiccedilotildees bastante severas em presenccedila do catalisador eacute transformada em vaacuterias

outras fraccedilotildees mais leves produzindo gaacutes combustiacutevel gaacutes liquefeito nafta

gasoacuteleo leve (oacuteleo diesel de craqueamento) e gasoacuteleo pesado de craqueamento

(oacuteleo combustiacutevel) As reaccedilotildees produzem tambeacutem coque que se deposita no

catalisador e eacute queimado quando na regeneraccedilatildeo desse uacuteltimo gerando gaacutes de

combustatildeo de alto conteuacutedo energeacutetico usado na geraccedilatildeo de vapor de aacutegua de

alta pressatildeo

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial tomando

um notaacutevel impulso com este conflito em face agrave grande necessidade dos aliados

em relaccedilatildeo a suprimentos de gasolina e material petroquiacutemico para suas tropas

Com o fim da guerra o craqueamento cataliacutetico firmou-se principalmente em

funccedilatildeo da produccedilatildeo de nafta em maior quantidade de melhor qualidade e com

custos de produccedilatildeo bem inferiores aos outros processos existentes na eacutepoca

Eacute um processo destinado por excelecircncia agrave produccedilatildeo de nafta de alta

octanagem o derivado que aparece em maior quantidade de 50 a 65 do

volume em relaccedilatildeo agrave carga processada O segundo derivado em maior proporccedilatildeo

eacute o gaacutes liquefeito de petroacuteleo (GLP) de 25 a 40 do volume em relaccedilatildeo agrave carga

Em menores rendimentos temos tambeacutem o oacuteleo diesel de craqueamento Light

Cycle 07 (LCO) o oacuteleo combustiacutevel de craqueamento (oacuteleo decantado ou

clarificado) o gaacutes combustiacutevel e o gaacutes sulfiacutedrico (H2S) O coque gerado eacute

depositado no catalisadore queimado na regeneraccedilatildeo

A grande necessidade nacional de produccedilatildeo de GLP e principalmente

de gasolina ateacute o final dos anos setenta fez com que a PETROBRAS instalasse

este processo em todas as suas refinarias O craqueamento cataliacutetico tambeacutem

conhecido como Fluid Catalytic Cracking (FCC) eacute um processo de grande

versatilidade e de elevada rentabilidade no quadro atual do refino embora seja

tambeacutem uma unidade de alto investimento para sua implantaccedilatildeo (Abadie 2002)

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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28 LUNIN VV MIROSHNICHENKO II PANTELEEV DM SOLOVETSKII YUI Extraction and Purification of Molybdenum from Deactivated Hydrodesulfurization Catalysts by Radiation-Thermal Treatment Kinetic and Catalysis Vol34 1993

29 MINISTEacuteRIO DO MEIO AMBIENTE Resoluccedilatildeo Ndeg 315 de 29 de Outubro de 2002 Conselho Nacional Do Meio Ambiente - CONAMA

30 MITCHELL B R Metal Contamination of Cracking Catalysts Ind Eng Chem Res Dev (1980) 209-213

72

31 MSDS - Sigma-Aldrich Disponiacutevel em lthttpwwwsigmaaldrichcomMSDSMSDSDisplayMSDSPagedo7country =BRamplanguage=ptampproductNumber=319767ampbrand=SIALampPageToGoToU RL=http3A2F2Fwwwsigmaaldrichcom2Fcatalog2Fproduct2Fsi al2F3197673Flang3Dptgt Acessado em 10 de Junho de 2014

32 MYRSTAD T SELJESTOKKEN B ENGAN H RYTTER E Effect of nickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha Applied Catalysis A General p 299-305 Vol192 2000

33 NATIONAL ENERGY TECHNOLOGY LABORATORY A Literature Review on Cold Cracking of Petroleum Crude 07 Energy Policy Act of 2005Section 14062005

34 National Institute of Standards and Technology (NIST) Chemistry WebBook Disponiacutevel em lthttpwebbooknistgovcg icbookcgiID=B6004665ampMask=80IR-Specgt Acessado em 12 de Junho de 2014

35 OELDERIK JM SIE ST BODE D Progress in the Catalysis of the Upgrading of Petroleum Residue Applied Catalysis Vol47 1989

36 PAPINI CJ Estudo comparativo de meacutetodos de determinaccedilatildeo do tamanho de partiacutecula Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Ciecircncias na Aacuterea de Tecnologia Nuclear- Materiais) - Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares Universidade de Satildeo Paulo 2003

37 SALOMON M Folha de Satildeo Paulo em Brasiacutelia 04092008 Disponiacutevel em lt httpwwwnossasaopauloorgbrportalnode1135gt Acessado em 14deAbrilde2014

38 SHREVE RN Jr BRINK J A Induacutestria de Processos Quiacutemicos 4 ed Rio de Janeiro Guanabara 1977

39 SOLOVETSKII YUI PANTELEEV DM LUNIN VV High-Temperature Electron Irradiation and Radiation-Thermal Technology for Utilization Purification and Production ofSome Metals Radiation Physics Chemistry Vol52 1998

40 UPSON L L What FCC catalyst test show Hydroc Proc nov p 253-258 1981

41 VIERHEILIG AA Methods of Recovering Rare Earth Elements US PatentNo82630282012

42 WILSON J W Fluid Catalytic Cracking Technology and Operation Tulsa Pennwell Books 1997 p 323

73

43 WOJCIECHOWSKI B W CORMA A Catalytic Cracking Catalyst Chemistry and Kinetics Chem Ind Ser n 25 New York Marcel Dekker Inc 1986 p 235

44 WOJNAacuteROVITS I Radiaton Chemistry Handbook of Nuclear Chemistry -Chemical applications of nuclear reactions and radiations 2003

45 YOUSSEF AM EL KHERBAWY M A SAMRA SE Effect of irradiation with gamma-rays on the surface and catalytic properties of SIacute02-AI203 and Li20-ompregnated SIacute02-AI203 systems Radiat Phys Chem p 559-563 Vol 40 1992

46 YOUSSEF AM EL-NABARAWY TH MOSTAFA MR Modification of surface properties of silica-alumina by irradiation with gamma-rays Radiat Phys Chem p 439 - 443 Vol 36 1990

47 YU ZS CHEN MB Rare Earth Elements and Their Applications Metallurgical Industry Press Beijing (PR China) 1995

48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 22: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

22

O modelo de unidade craqueadora a catalisador fluidizado Orthflow da

MWKellogg Co (Hydrocarbon Process) realiza a reaccedilatildeo separaccedilatildeo do

catalisador regeneraccedilatildeo e circulaccedilatildeo do catalisador num uacutenico conversor

(Zenz 1974)

O sistema convencional de regeneraccedilatildeo do catalisador eacute composto por

algumas etapas Inicialmente o catalisador gasto pelas reaccedilotildees de craqueamento

sai do reatore passa pelo retificador onde eacute tratado a vaporde aacutegua para remoccedilatildeo

dos produtos de craqueamento e do oacuteleo arrastado pelo catalisador descendente

O catalisador do retificador cai entatildeo em fase densa pelas colunas (standpipes)

de catalisadorgasto passa porvaacutelvulas de controle e entra no leito do regenerador

No regenerador o coque depositado sobre o catalisador durante a reaccedilatildeo eacute

queimado usando-se ar injetado Os gases de combustatildeo passam subindo pelo

leito fluido chegam a uma zona de separaccedilatildeo e passam depois por diversos

ciclones usualmente dois ou trecircs (Shreve 1977)

33 Hidrocraqueamento cataliacutetico

O hidrocraqueamento cataliacutetico tambeacutem conhecido como Hidrocatalytic

Cracking (HCC) eacute um processo que consiste na quebra de moleacuteculas existentes na

carga de gasoacuteleo por accedilatildeo conjugada do catalisador altas temperaturas e

pressotildees e na presenccedila de hidrogecircnio Ao mesmo tempo em que ocorrem as

quebras simultaneamente acontecem reaccedilotildees de hidrogenaccedilatildeo do material

produzido Eacute um processo que concorre portanto com o craqueamento cataliacutetico

fluido (Abadie 2002)

O HCC surgiu na deacutecada de cinquumlenta atingindo seu apogeu no iniacutecio

dos anos setenta pouco antes da crise do petroacuteleo Com o aumento do preccedilo do

oacuteleo de seus derivados e do preccedilo do gaacutes natural principal mateacuteria-prima para

obtenccedilatildeo do hidrogecircnio este tambeacutem teve seu preccedilo extremamente elevado

afetando bastante a rentabilidade do processo Isto fez com que houvesse retraccedilatildeo

na implantaccedilatildeo de novas unidades tanto nos Estados Unidos quanto nos demais

paiacuteses (Abadie 2002)

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 23: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

23

A grande vantagem do hidrocraqueamento eacute sua extrema versatilidade

Pode operar com cargas que variam desde nafta ateacute gasoacuteleos pesados ou

resiacuteduos leves maximizando a fraccedilatildeo que desejar o refinador- desde gasolina ateacute

gasoacuteleo para craqueamento - obviamente em funccedilatildeo da carga (Abadie 2002)

Outra grande vantagem constatada eacute a qualidade das fraccedilotildees no que diz

respeito aos contaminantes Diante das severiacutessimas condiccedilotildees em que ocorrem

as reaccedilotildees praticamente todas as impurezas como compostos de enxofre

nitrogecircnio oxigecircnio e metais satildeo radicalmente reduzidas ou eliminadas dos

produtos (Abadie 2002)

A desvantagem do processo consiste nas draacutesticas condiccedilotildees

operacionais Elevadas pressotildees e temperaturas satildeo usadas o que obriga a

utilizaccedilatildeo de equipamentos caros e de grande porte com elevado investimento

natildeo soacute pelo que jaacute foi exposto mas tambeacutem pela necessidade de implantaccedilatildeo de

uma grande unidade de geraccedilatildeo de hidrogecircnio cujo consumo no processo eacute

extremamente alto (Abadie 2002)

Os catalisadores empregados no hidrocraqueamento devem possuir

caracteriacutesticas de craqueamento e de hidrogenaccedilatildeo simultaneamente A alumina

(AI2O3) acidificada ou combinada agrave siacutelica (SIacuteO2) proporciona reaccedilotildees de quebra de

cadeias lineares e isomerizaccedilatildeo sendo a responsaacutevel pelas reaccedilotildees de

craqueamento A siacutelica-alumina eacute capaz de romper ligaccedilotildees carbono-carbono de

cadeias abertas ou mesmo naftecircnicas poreacutem natildeo demonstra eficiecircncia para a

abertura de aneacuteis aromaacuteticos (Abadie 2002)

Estes catalisadores satildeo bifuncionais e satildeo capazes de craquear

hidrocarbonetos de alta massa molar e hidrogenar insaturados que satildeo formados

durante a fase de craqueamento (Ali et al 2002) Estes catalisadores costumam

conter ainda zeoacutelitas em sua composiccedilatildeo visando conferir-lhes acidez adequada

(Cabral 2005)

Na praacutetica os reatores de hidrocraqueamento utilizam catalisadores de

oacutexidos de niacutequel - molibdecircnio (NiO-MoO) ou oacutexidos de niacutequel - tungstecircnio

(NIacuteO-WO3) depositados em suporte de siacutelica-alumina (SIacuteO2-AI2O3) Esse tipo de

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 24: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

24

catalisador eacute suscetiacutevel a envenenamento por compostos ciacuteclicos nitrogenados e

metais o que altera sua atividade (capacidade de conversatildeo dos reagentes em

produtos) e seletividade (capacidade de dirigir uma dada reaccedilatildeo no sentido de

produzir um determinado produto) Todos os processos comerciais de

hidrocraqueamento satildeo relativamente semelhantes Diferem essencialmente entre

si por detalhes de concepccedilatildeo em funccedilatildeo do tipo de catalisador utilizado (Abadie

2002)

34 Catalisadores e o meio ambiente

Dada a crescente importacircncia dos problemas ambientais e das medidas

relativas agrave proteccedilatildeo do meio ambiente as quais estatildeo cada vez mais severas as

operaccedilotildees de descarte de catalisadores desativados ocupam cada vez mais a

atenccedilatildeo de pesquisadores e teacutecnicos Eles satildeo poluentes em potencial em funccedilatildeo

dos consideraacuteveis teores de metais pesados existentes e agrave correspondente

contaminaccedilatildeo de solos plantas e lenccediloacuteis freaacuteticos A tiacutetulo de exemplo a Agecircncia

Norte-Americana de Proteccedilatildeo ao Meio Ambiente (EPA) reafirmou em 1996 o

conceito de catalisador descartado como resiacuteduo perigoso (Bader 1996 Lima

1998)

Estudo como de Juacutelio Afonso (Afonso etal 2003) mostra como a

composiccedilatildeo de um catalisador industrial desativado pode contaminar o meio

ambiente mesmo apoacutes um tratamento draacutestico de oxidaccedilatildeo a alta temperatura

No trabalho de Juacutelio Afonso (Afonso et al 2006) assim como de

Busnardo (Busnardo 2005) expotildeem a recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores de

hidrorrefino NIacuteM0AI2O3 e C0M0AI2O3 usados via fusatildeo com KHSO4 no qual se

segue o procedimento de fusatildeo e processamento da amostra a ponto de se obter

uma soluccedilatildeo com os metais provenientes dos catalisadores demonstrando natildeo

apenas o estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores

gastos mas tambeacutem inserindo no contexto a preservaccedilatildeo do meio ambiente Em

outro estudo tambeacutem realizado por Juacutelio Afonso (Afonso etal 1997) foi realizada

a extraccedilatildeo dos metais via aacutecido oxaacutelico oxalato do amocircnio hidroacutexido de amocircnio e

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 25: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

25

misturas desses dois uacuteltimos reagentes e apoacutes todo um processamento os metais

foram analisados via espectrometria de absorccedilatildeo atocircmicaemissatildeo de chama ou

porfluorescecircncia de raios X aleacutem da cromatografia de iacuteons para detecccedilatildeo de iacuteons

Em trabalhos realizados pelo Instituto Superior Teacutecnico em Lisboa

foram estudadas a prevenccedilatildeo da desativaccedilatildeo do zeoacutelito pelo coque

(Guisnet 2009) Abordando-se as taxas de desativaccedilatildeo e o estudo do coque

algumas regras foram propostas para se minimizar o efeito da desativaccedilatildeo assim

como a desativaccedilatildeo nos catalisadores de FCC (Cerqueira 2008) que eacute discutido

pelo ponto de vista fundamental e aplicado a desativaccedilatildeo do zeoacutelito HY e dos

catalisadores de FCC Ambos os trabalhos visam alertar o estudo do coque como

razatildeo da desativaccedilatildeo e sua melhor compreensatildeo colabora para menor

desativaccedilatildeo sendo que para as caracterizaccedilotildees do coque ambos citam a

ressonacircncia magneacutetica nuclear (RMN) espectroscopia Raman e infravermelho

aleacutem de espectroscopia de perda de energia do eleacutetron (EELS) cromatografia

gasosa acoplado ao detector de massas (GCMS) e ionizaccedilatildeo e dessorccedilatildeo a lazer

assistida por matriz com analisador de massas por tempo de vocirco

(LD-MALDI-TOF-MS)

35 Quiacutemica das radiaccedilotildees

A quiacutemica das radiaccedilotildees eacute o estudo dos efeitos quiacutemicos quando o

material eacute submetido a radiaccedilatildeo ionizante O termo radiaccedilatildeo ionizante em um senso

amplo eacute aplicado para os foacutetons e partiacuteculas que possuem energia suficiente para

ionizar as moleacuteculas de 10 eV a vaacuterios milhotildees de eleacutetron-Volts (eV) assim como

partiacuteculas carregadas eleacutetrons poacutesitrons iacuteons pesados acelerados entre outros

O resultado da absorccedilatildeo da energia eacute a quebra ou o rearranjo das ligaccedilotildees

quiacutemicas Foacutetons de altas energias podem ser absorvidos pelos nuacutecleos e causar

reaccedilotildees nucleares Esse eacute o campo da fiacutesica nuclear e da quiacutemica nuclear ou

radioquiacutemica (Hummel 1992 Wojnaacuterovits 2003)

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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40 UPSON L L What FCC catalyst test show Hydroc Proc nov p 253-258 1981

41 VIERHEILIG AA Methods of Recovering Rare Earth Elements US PatentNo82630282012

42 WILSON J W Fluid Catalytic Cracking Technology and Operation Tulsa Pennwell Books 1997 p 323

73

43 WOJCIECHOWSKI B W CORMA A Catalytic Cracking Catalyst Chemistry and Kinetics Chem Ind Ser n 25 New York Marcel Dekker Inc 1986 p 235

44 WOJNAacuteROVITS I Radiaton Chemistry Handbook of Nuclear Chemistry -Chemical applications of nuclear reactions and radiations 2003

45 YOUSSEF AM EL KHERBAWY M A SAMRA SE Effect of irradiation with gamma-rays on the surface and catalytic properties of SIacute02-AI203 and Li20-ompregnated SIacute02-AI203 systems Radiat Phys Chem p 559-563 Vol 40 1992

46 YOUSSEF AM EL-NABARAWY TH MOSTAFA MR Modification of surface properties of silica-alumina by irradiation with gamma-rays Radiat Phys Chem p 439 - 443 Vol 36 1990

47 YU ZS CHEN MB Rare Earth Elements and Their Applications Metallurgical Industry Press Beijing (PR China) 1995

48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 26: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

26

351 Radiaccedilatildeo ionizante

Todas as formas de radiaccedilatildeo ionizante interagem com a mateacuteria

transferindo sua energia para aacutetomos e moleacuteculas presentes Na primeira fase de

interaccedilatildeo ocorre um efeitofiacutesico que consiste na ionizaccedilatildeo e excitaccedilatildeo dos aacutetomos

resultante da troca de energia entre a radiaccedilatildeo e a mateacuteria Esse efeito processa-se

num intervalo de tempo muito curto na ordem de 1013 a 1012 segundos Na

segunda fase de interaccedilatildeo ocorrem os efeitos quiacutemicos ou seja ruptura de

ligaccedilotildees nas moleacuteculas e formaccedilatildeo de radicais livres Esta accedilatildeo quiacutemica processa-

se num intervalo de tempo estimado em 109 segundos (Duarte 1999)

Os efeitos quiacutemicos de interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com a mateacuteria dar-se-aacute

por dois mecanismos que satildeo o direto no qual a radiaccedilatildeo interage diretamente na

moleacutecula em questatildeo e o efeito indireto no qual a radiaccedilatildeo interage com a moleacutecula

de aacutegua gerando espeacutecies quiacutemicas muito reativas e difusiacuteveis e que vatildeo interagir

no material estudado (Duarte 1999)

Os processos de transferecircncia de energia para a mateacuteria satildeo

diferentes para radiaccedilatildeo eletromagneacutetica (raios gama e raios X) e partiacuteculas

carregadas (eleacutetrons de alta energia e partiacuteculas com cargas positivas) Os foacutetons

com energia acima de 10 MeV podem interagir no nuacutecleo do aacutetomo e ejetar um

proacuteton ou necircutron (reaccedilatildeo nuclear) induzindo radioatividade no material

absorvedor Esta eacute a razatildeo pela qual aceleradores de eleacutetrons comerciais satildeo

limitados a energia de 10 MeV e maacutequinas de raios X a 5 MeV (Duarte 1999)

352 Processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada

No processo de oxidaccedilatildeo avanccedilada (POA) utilizando radiaccedilatildeo ionizante

empregam-se basicamente dois tipos de irradiadores aqueles que utilizam

radioisoacutetopos artificiais emissores de raios gama tais como cobalto-60 e

ceacutesio-137 e os aceleradores industriais de eleacutetrons (Duarte 1999)

As fontes de radiaccedilatildeo gama requerem blindagens especiais de concreto

com paredes espessas e satildeo usadas principalmente na esterilizaccedilatildeo de produtos

meacutedicos e irradiaccedilatildeo de alimentos onde a penetraccedilatildeo maior da radiaccedilatildeo eacute uma

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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36 PAPINI CJ Estudo comparativo de meacutetodos de determinaccedilatildeo do tamanho de partiacutecula Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Ciecircncias na Aacuterea de Tecnologia Nuclear- Materiais) - Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares Universidade de Satildeo Paulo 2003

37 SALOMON M Folha de Satildeo Paulo em Brasiacutelia 04092008 Disponiacutevel em lt httpwwwnossasaopauloorgbrportalnode1135gt Acessado em 14deAbrilde2014

38 SHREVE RN Jr BRINK J A Induacutestria de Processos Quiacutemicos 4 ed Rio de Janeiro Guanabara 1977

39 SOLOVETSKII YUI PANTELEEV DM LUNIN VV High-Temperature Electron Irradiation and Radiation-Thermal Technology for Utilization Purification and Production ofSome Metals Radiation Physics Chemistry Vol52 1998

40 UPSON L L What FCC catalyst test show Hydroc Proc nov p 253-258 1981

41 VIERHEILIG AA Methods of Recovering Rare Earth Elements US PatentNo82630282012

42 WILSON J W Fluid Catalytic Cracking Technology and Operation Tulsa Pennwell Books 1997 p 323

73

43 WOJCIECHOWSKI B W CORMA A Catalytic Cracking Catalyst Chemistry and Kinetics Chem Ind Ser n 25 New York Marcel Dekker Inc 1986 p 235

44 WOJNAacuteROVITS I Radiaton Chemistry Handbook of Nuclear Chemistry -Chemical applications of nuclear reactions and radiations 2003

45 YOUSSEF AM EL KHERBAWY M A SAMRA SE Effect of irradiation with gamma-rays on the surface and catalytic properties of SIacute02-AI203 and Li20-ompregnated SIacute02-AI203 systems Radiat Phys Chem p 559-563 Vol 40 1992

46 YOUSSEF AM EL-NABARAWY TH MOSTAFA MR Modification of surface properties of silica-alumina by irradiation with gamma-rays Radiat Phys Chem p 439 - 443 Vol 36 1990

47 YU ZS CHEN MB Rare Earth Elements and Their Applications Metallurgical Industry Press Beijing (PR China) 1995

48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 27: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

27

vantagem Os aceleradores industriais de eleacutetrons satildeo geralmente preferidos como

fonte de radiaccedilatildeo para aplicaccedilotildees ambientais (Duarte 1999)

As vantagens do acelerador industrial de eleacutetrons satildeo as taxas de dose

altas rendimento maior de energia licenciamento similar agraves maacutequinas de raios X e

o sistema liga-desliga que cessa a emissatildeo da radiaccedilatildeo ionizante As desvantagens

satildeo a penetraccedilatildeo baixa dos eleacutetrons no material e a necessidade de operadores

especializados (Duarte 1999)

36 Catalisadores e o processamento por radiaccedilatildeo

O processamento de oacuteleos com alto teor de enxofre consome

catalisadores de hidrocraqueamento em grandes quantidades Apesar da possiacutevel

regeneraccedilatildeo dos catalisadores de hidrogenaccedilatildeo a base de Ni(Co) e oacutexidos de Mo

perdas significativas dos catalisadores acontecem em funccedilatildeo de sua desativaccedilatildeo

irreversiacutevel Haacute uma ampla variedade de meacutetodos para extraccedilatildeo de componentes

inativos tais como extraccedilatildeo aquosa e amocircnia-aquosa de Mo que permite a

separaccedilatildeo de compostos Ni(Co) e Mo e a extraccedilatildeo de 90 em massa

aproximadamente de Mo na forma de M0O3 e tratamento alcalino (isolamento do

Mo de ateacute 80 em massa) independentemente da concentraccedilatildeo inicial e estrutura

do composto A purificaccedilatildeo completa dos oacutexidos de C e S (de ateacute 99 em massa)

foi primeiramente realizada utilizando-se a teacutecnica do Radiation-Thermal Treatment

(RTT) e a possibilidade de extraccedilatildeo de metais por irradiaccedilatildeo foi notada por

Solovetskii Yul Problemy Dezaktivatsii Katalizatorov (Lunin et al 1993)

Experimentalmente amostras de extrudados de catalisadores contendo

Mo (4 mm a 8 mm de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro) com composiccedilatildeo

inicial de 49 em massa de Ni(Co) 12 em massa de Mo 20 em massa de C

5 em massa de S e AI2O3 restante foram submetidas a teacutecnica de RTT a 12 MeV

de energia do feixe utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons construiacutedo

pelo Institute of Nuclear Physics Siberian Branch Russian Academy of Sciences

O resultado para o RTT (irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de ateacute 20 MeV em 30

minutos) no desativado de Ni(Co)-MoAb03 eacute similar ao tratamento teacutermico

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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46 YOUSSEF AM EL-NABARAWY TH MOSTAFA MR Modification of surface properties of silica-alumina by irradiation with gamma-rays Radiat Phys Chem p 439 - 443 Vol 36 1990

47 YU ZS CHEN MB Rare Earth Elements and Their Applications Metallurgical Industry Press Beijing (PR China) 1995

48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 28: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

28

convencional entre 540 degC a 650 degC Inicialmente o RTT dessorve compostos de

carbono e enxofre os quais satildeo intensamente decompostos pela radiaccedilatildeo ionizante

(Luninetal 1993)

Estudos feitos por AYu Adzhiev com a aplicaccedilatildeo porfeixes de eleacutetrons

de meacutedia energia (ateacute 20 MeV) no tratamento de catalisadores de Zn-Cr-Fe e na

oxidaccedilatildeo direta do gaacutes sulfiacutedrico para enxofre mostram que em tal tratamento satildeo

formadas estruturas de espineacutelios ativados com um tempo miacutenimo de irradiaccedilatildeo

No tratamento de catalisadores contaminados por coque notou-se que o coque

depositado foi removido de forma eficiente assim como os subprodutos de enxofre

Observou-se uma transiccedilatildeo reversiacutevel das fases para os catalisadores relacionada

agrave formaccedilatildeo do sulfeto de ferro (Adzhiev et al 1991)

Nesse mesmo assunto a obtenccedilatildeo e a purificaccedilatildeo de metais por

intermeacutedio da irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons tambeacutem consta no estudo de Yul

Solovetskii (Solovetskii et al 1998) no qual a irradiaccedilatildeo com energias de 12 MeV

a 16 MeV em altas temperaturas foi usada para produccedilatildeo de Pt Pd Mo Co Cu e

Ni provenientes de catalisadores de reforma desativados a base de Pt(Pd)

catalisadores de hidrodesulfuraccedilatildeo a base de sulfeto de molibdecircnio e resiacuteduos de

catalisadores de hidrogenaccedilatildeo

Estudou-se tambeacutem a induccedilatildeo da decomposiccedilatildeo por intermeacutedio da

radiaccedilatildeo ionizante em catalisadores de sulfeto de Ni(Co)-MoAl203 e fragmentos

orgacircnicos de resiacuteduos de catalisadores de hidrogenaccedilatildeo A distribuiccedilatildeo dos

produtos de radioacutelise foi estudada em funccedilatildeo do tempo (ateacute 1h) e da temperatura

(297 degC a 1127 degC) Projetou-se a primeira unidade tecnoloacutegica com feixe de

eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para

purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de alguns metais a partir de resiacuteduos soacutelidos mostrada na

FIG 2 (Solovetskii et al 1998)

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 29: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

29

1 Local de irradiaccedilatildeo 2 Acelerador industrial de eleacutetrons com esteira transportadora para o catalisador mover-se com velocidade controlada 3 Alimentador 4 Dispersor 5 Reservatoacuterios contendo o catalisador 6 Gaacutes contendo iacuteon de amocircnio de purificaccedilatildeo adicional para remoccedilatildeo do enxofre e 7 Descarte do sulfato de amocircnio na atmosfera

Fonte Solovetskii et al 1998

FIGURA 2 - Planta tecnoloacutegica por feixe de eleacutetrons que utilizava a teacutecnica de Radiation-Thermal Treatment (RTT) para purificaccedilatildeo e produccedilatildeo de metais a partirde resiacuteduos soacutelidos decatalisadores

37 Concentraccedilatildeo de enxofre no oacuteleo diesel

A Resoluccedilatildeo 315 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA)

(Ministeacuterio do Meio Ambiente 2002) assinada em 2002 impotildee um limite de 50

partes por milhatildeo (ppm) de enxofre para o oacuteleo diesel (S50) e deveria entrar em

vigor em janeiro de 2009 Tal resoluccedilatildeo natildeo foi cumprida pela PETROBRAS e pelos

fabricantes de veiacuteculos (Salomon 2008)

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 30: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

30

O novo cronograma para a reduccedilatildeo da concentraccedilatildeo de enxofre no

diesel foi proposto ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) pelo entatildeo

Ministro do Meio Ambiente Carlos Minc Ele afirmou ter obtido o aval do

ex-presidente Luiz Inaacutecio da Silva para a proposta de adotar o diesel menos

poluente - o S10 (com dez partes por milhatildeo) em 2012 (Salomon 2008)

Em 2008 a concentraccedilatildeo no oacuteleo diesel brasileiro era de 500 ppm nas

regiotildees metropolitanas e de 2000 ppm nas aacutereas rurais Na Europa essa

concentraccedilatildeo eacute de 10 ppm e nos Estados Unidos 15 ppm A proposta sugeria que

a partir de outubro o teor de enxofre no oacuteleo diesel utilizado no interior do Paiacutes

passaria de 2000 ppm para 1800 ppm Nas regiotildees metropolitanas de Satildeo Paulo

Rio Curitiba Fortaleza Recife e Beleacutem cairia de 500 ppm para 50 ppm - mas sem

prazo para a execuccedilatildeo das mudanccedilas (EcoDebate 2008)

Atualmente as distribuidoras jaacute fornecem diesel S10 (10 ppm) no

mercado nacional para utilizaccedilatildeo nos ocircnibus e caminhotildees em circulaccedilatildeo no Brasil

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Page 31: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

31

Capiacutetulo 4

MEacuteTODOS EXPERIMENTAIS

41 Teacutecnicas experimentais

Para a realizaccedilatildeo dos procedimentos experimentais algumas teacutecnicas

foram utilizadas na avaliaccedilatildeo e no estudo dos catalisadores de Fluid Catalytic

Cracking (FCC) e Hidrocatalytic Cracking (HCC)

Para a caracterizaccedilatildeo e anaacutelise elementar utilizou-se a teacutecnica da

espectrometria de fluorescecircncia de raios X por energia disperssiva (EDX) por meio

de equipamentos disponiacuteveis no Centro de Quiacutemica e Meio Ambiente (CQMA) e no

Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materias (CCTM) ambos do IPEN-CNENSP

Os catalisadores foram estudados e observados por microscopia

eletrocircnica de varredura (MEV) utilizando-se um microscoacutepio Hitachi Tabletop

TM-3000 No acircmbito de se estudar e compreender as fases cristalinas do

catalisador e suas modificaccedilotildees foram realizadas anaacutelises de difraccedilatildeo de raios X

(DRX) utilizando-se de um difratocircmetro Rigaku MultiFlex Esses equipamentos

estatildeo instalados no Centro de Ciecircncia e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

Instituto

E finalmente como teacutecnica complementar para se estudar a influecircncia

da dose absorvida no catalisador foi utilizada a teacutecnica da espectroscopia de

infravermelho por reflexatildeo total atenuada (ATR-FTIR) utilizando-se um

Perking-Elmer Spectrum 100 instalado no Centro de Tecnologia das Radiaccedilotildees

(CTR) do IPEN-CNENSP

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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39 SOLOVETSKII YUI PANTELEEV DM LUNIN VV High-Temperature Electron Irradiation and Radiation-Thermal Technology for Utilization Purification and Production ofSome Metals Radiation Physics Chemistry Vol52 1998

40 UPSON L L What FCC catalyst test show Hydroc Proc nov p 253-258 1981

41 VIERHEILIG AA Methods of Recovering Rare Earth Elements US PatentNo82630282012

42 WILSON J W Fluid Catalytic Cracking Technology and Operation Tulsa Pennwell Books 1997 p 323

73

43 WOJCIECHOWSKI B W CORMA A Catalytic Cracking Catalyst Chemistry and Kinetics Chem Ind Ser n 25 New York Marcel Dekker Inc 1986 p 235

44 WOJNAacuteROVITS I Radiaton Chemistry Handbook of Nuclear Chemistry -Chemical applications of nuclear reactions and radiations 2003

45 YOUSSEF AM EL KHERBAWY M A SAMRA SE Effect of irradiation with gamma-rays on the surface and catalytic properties of SIacute02-AI203 and Li20-ompregnated SIacute02-AI203 systems Radiat Phys Chem p 559-563 Vol 40 1992

46 YOUSSEF AM EL-NABARAWY TH MOSTAFA MR Modification of surface properties of silica-alumina by irradiation with gamma-rays Radiat Phys Chem p 439 - 443 Vol 36 1990

47 YU ZS CHEN MB Rare Earth Elements and Their Applications Metallurgical Industry Press Beijing (PR China) 1995

48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 32: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

32

42 Materiais utilizados e condiccedilatildeo inicial

Os materiais em estudos pertenciam ao ciclo do petroacuteleo sendo eles

catalisadores de Fluid Catalytic Cracking (FCC) e de Hidrocatalytic Cracking (HCC)

ambos desativados e regenerados em seu tempo de campanha e tambeacutem em seu

formato virgem natildeo utilizado no processo de refino

O catalisador de FCC mostrado na FIG 3 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Sua composiccedilatildeo detalhada

apresentada na TAB 1 constitui-se de partiacuteculas de tamanhos que variam de

85 um a 140 um apresentando-se na forma de poacute fino

bull -^mdash^gt--r

(a) CcedilftiacuteWr

^Mamp - bull bull gt

(b)

FIGURA 3 - Recipientes contendo catalisadores de FCC a) desativado e b) virgem

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 33: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

33

TABELA 1 - EDX dos catalisadores virgem e desativado de FCC

Oxidos

AI2O3 Si02

La203 Fe203 S03 K20 V205 P205 Ce02

Mgg-1 CaO MnO Zr02

Ga203 CuO ZnO SrO NiO

Sb203 Rb20 PbO

FCC virgem

609plusmn01 353plusmn01

206plusmn003 104 plusmn002 027plusmn001

0185plusmn0004 013plusmn001

--

235plusmn22 143plusmn22 103plusmn21 79plusmn15 77plusmn4 57plusmn2 39plusmn2 14plusmn7

---

FCC desativado

448plusmn01 477plusmn02 24plusmn007 086plusmn001 018plusmn002

0091 plusmn0010 17plusmn03

058plusmn002 040plusmn003

1900plusmn200 58plusmn14 92 plusmn21 63plusmn5 82plusmn4 122plusmn7 102plusmn5

10400plusmn200 765plusmn53

10plusmn2 93plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

O catalisador de HCC apresentado na TAB 2 possui uma composiccedilatildeo

baacutesica de oacutexido de alumiacutenio oacutexido de molibdecircnio e trioacutexido de enxofre Diferente

do catalisador de FCC apresenta-se na forma de um extrudado de 4 mm a 8 mm

de comprimento por2 mm a 5 mm de diacircmetro tendo como coloraccedilatildeo esverdeada

para o catalisador virgem e escurecida para o catalisador desativado mostrados

na FIG4

Esse catalisador eacute utilizado em duas posiccedilotildees diferentes de um mesmo

processo uma no topo da unidade de hidrocraqueamento e outra na base

diferenciando-se portanto em composiccedilatildeo a da base chamada de leito inferior e a

do topo de leito superior

Toda vidraria utilizada para os experimentos foi lavada seguindo o

boletim teacutecnico Aldrich (Aldrich - AL-228)

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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2 ADIGAMOV BYA LUNIN VV MIROSHNICHENKO II et at Vestn Mosk Univ Ser 2 Khim Vol 29 p 395 1988

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Page 34: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

34

TABELA 2 - EDX dos catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) virgem e desativados do leito inferior e superior

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

SO3 V205

ZnO

HCC virgem

56234plusmn0111 -

0084plusmn0003 0026plusmn0003 002plusmn0003

23331 plusmn0022 5367plusmn0015 4063plusmn0022

-0006plusmn0016 10865plusmn0022 0001 plusmn0007 0002plusmn0001

HCC desativado (leito inferior) 46098plusmn0106 0017plusmn0005 0119plusmn0003 0018plusmn0003 0233plusmn0005 19908plusmn0018 4349plusmn0013 4241 plusmn0024

-0128plusmn0021

24855plusmn0032 0027plusmn0008 0006plusmn0001

HCC desativado (leito superior) 34212plusmn0118 0828plusmn0009 0339plusmn0005 0045plusmn0005 3649plusmn0014 13269plusmn0013 474plusmn0013 329plusmn0029 0006plusmn0001 888plusmn0046

30152plusmn0042 0546plusmn0011 0043plusmn0002

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

FIGURA 4 - Catalisadores de hidrocraqueamento (HCC) a) virgem b) desativado do leito inferior e c) desativado do leito superior

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 35: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

35

421 Catalisador de FCC

Na FIG 5 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de FCC

CatalisadordeFCC

EDX MEV DRX

IrradiaccedilatildeoA

I Irradiaccedilatildeo B

MEV FTIR

Contaminaccedilatildeo com Niacutequel

Extraccedilatildeo do Lantacircnio

Irradiaccedilatildeo C i

EDX

Extraccedilatildeo do Niacutequel i

EDX

EDX DRX

FIGURA 5 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisador de FCC

4211 Anaacutelises iniciais

Os catalisadores de FCC virgem e desativado foram submetidos agraves

anaacutelises de fluorescecircncia de raios X por energia dispersiva (EDX) para uma

caracterizaccedilatildeo inicial e identificaccedilatildeo das suas composiccedilotildees conforme apresentado

na TAB 1

Nota-se que a concentraccedilatildeo de lantacircnio (La2Uuml3) no catalisador de FCC

desativado estaacute em cerca de 24 da composiccedilatildeo total Os catalisadores de FCC

possuem em sua composiccedilatildeo oacutexidos de terras-raras na sua maioria lantacircnio e

pequenas quantias de ceacuterio praseodiacutemio e neodiacutemio (Yu e Chen 1995) O iacuteon de

terra-rara ajuda a estabilizar a estrutura zeoliacutetica de catalisadores de FCC

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 36: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

36

Inclusive essa aplicaccedilatildeo consome cerca de 50 da produccedilatildeo mundial de lantacircnio

Natildeo obstante haacute muito pouco interesse na reciclagem de terras-raras a partir de

catalisadores desativados de FCC (Binnemans et al 2013) sendo a maioria dos

estudos voltados agrave recuperaccedilatildeo de terras-raras por lixiviaccedilatildeo com soluccedilotildees aacutecidas

(He e Meng 2011 Vierheilig 2012)

A composiccedilatildeo inicial do catalisador eacute predominantemente oacutexido de

alumiacutenio e dioacutexido de siliacutecio Quando o catalisador atinge o final de sua vida uacutetil eacute

considerado desativado e haacute uma mudanccedila na porcentagem de dioacutexido de siliacutecio

que aumenta significativamente assim como nos niacuteveis de oacutexidos de niacutequel

considerado um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

O elemento niacutequel foi observado em um trabalho de Myrstad intitulado

Effect ofnickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha (Myrstad et al

2000) e tambeacutem revisto por Cerqueira em Deactivation ofFCC catalysts (Cerqueira

et al 2008) Aleacutem de ser considerado um contaminante para o catalisador o niacutequel

eacute um possiacutevel carcinoacutegeno humano como descrito na ficha de informaccedilatildeo

toxicoloacutegica da CETESB (Companhia Ambiental do Estado de Satildeo Paulo 2014) e

portanto deve ser descartado de forma correta

Para se ter um melhor entendimento sobre a forma do catalisador assim

como seu tamanho meacutedio de partiacutecula analisou-se o catalisador ao microscoacutepio

eletrocircnico de varredura Sua forma e tamanho seratildeo usados como base para um

melhor entendimento da accedilatildeo da radiaccedilatildeo ionizante no catalisador Para se

compreender a forma do catalisador mostrada na FIG 6 alguns pontos da amostra

foram analisados e extraiacutedas imagens jaacute para a anaacutelise do tamanho meacutedio de

partiacutecula apresentada na TAB 3 vaacuterias partiacuteculas foram selecionadas dentro do

conjunto e realizada a meacutedia dos diacircmetros das mesmas

Apesar da forma adotada ter suas limitaccedilotildees conforme ressalva Papini

(Papini 2003) para se obter um valor confiaacutevel o nuacutemero de partiacuteculas deve ser

estatisticamente representativo assim como uma amostra que represente o lote e

que esteja bem dispersa No ensaio em questatildeo a microscopia eletrocircnica de

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 37: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

37

varredura (MEV) foi uma teacutecnica altamente eficaz em natildeo selecionar aglomerados

para se realizar as mediccedilotildees das partiacuteculas individuais

FIGURA 6 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem e b) desativado

TABELA 3 - Tamanho meacutedio das partiacuteculas do catalisador de FCC

Catalisador de FCC

Virgem Desativado

Meacutedia das partiacuteculas (um)

125 925

Por meio da microscopia eletrocircnica de varredura (MEV) verificou-se que

dentre os catalisadores o de maior diacircmetro eacute o catalisador virgem Isso se explica

pelo fato de natildeo terem sidos expostos agraves condiccedilotildees de cataacutelise Eacute possiacutevel verificar

tambeacutem que possuem um formato esferoidal O catalisador desativado por outro

lado apesar de apresentar um formato similar ao catalisador virgem possui em

meacutedia menor diacircmetro de largura muitas vezes com rupturas e ateacute mesmo furos

em sua estrutura Acredita-se que isso ocorra em funccedilatildeo do catalisador por

diversos ciclos ser exposto a temperatura e pressatildeo elevadas

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 38: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

38

Por fim fez-se a difraccedilatildeo de raios X do catalisador de FCC para se

compreendera estrutura cristalina inicial e obtiveram-se os seguintes difratogramas

mostrados nas FIG 7 e 8

1600-

(D

03

c (D c

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

1600-

ll

Catalisador Virgem

uXj^L^J^^^ - 39-6538 AI2 ( Si2 05 ) ( O H )4

32)59 ( S i 0 2 ) 1 3 3

700

FIGURA 7 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC virgem

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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19 ECODEBATE publicado em 16 de Agosto de 2008 Disponiacutevel em lthttpwwwecodebatecombr20080816impasse-sobre-reducao-de-enxofre-no-diesel-esta-longe-do-fim-dizem-ongsgt Acessado em 14 de Abrilde2014

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20 ENGELHARD COPORATION Millennium TM Fluid catalytic Cracking Catalysts [SL] 1994 Disponiacutevel em lthttpwwwrefiningonlinecomEngelhardKBprodPBRMilhtmgt Acessado em 14deAbrilde2014

21 CETESB - Ficha de Informaccedilatildeo Toxicoloacutegica Disponiacutevel em lthttpwwwcetesbspgovbruserfilesfilelaboratoriosfitniquelpdfgt Acessado em 14 de Abril de 2014

22 GUISNET M COSTA L RIBEIRO FR Prevention ofzeolite deactivation by coking Journal of Molecular Catalysis A Chemical Vol 305 p69-83 2009

23 HE H MENG J Recycling rare earth from spent FCC catalyst using P507 (HEHEHP) as extractant Zhongnan Daxue Xuebao Ziran Kexueban Vol 42 p 2651 - 2657 2011

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29 MINISTEacuteRIO DO MEIO AMBIENTE Resoluccedilatildeo Ndeg 315 de 29 de Outubro de 2002 Conselho Nacional Do Meio Ambiente - CONAMA

30 MITCHELL B R Metal Contamination of Cracking Catalysts Ind Eng Chem Res Dev (1980) 209-213

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34 National Institute of Standards and Technology (NIST) Chemistry WebBook Disponiacutevel em lthttpwebbooknistgovcg icbookcgiID=B6004665ampMask=80IR-Specgt Acessado em 12 de Junho de 2014

35 OELDERIK JM SIE ST BODE D Progress in the Catalysis of the Upgrading of Petroleum Residue Applied Catalysis Vol47 1989

36 PAPINI CJ Estudo comparativo de meacutetodos de determinaccedilatildeo do tamanho de partiacutecula Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Ciecircncias na Aacuterea de Tecnologia Nuclear- Materiais) - Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares Universidade de Satildeo Paulo 2003

37 SALOMON M Folha de Satildeo Paulo em Brasiacutelia 04092008 Disponiacutevel em lt httpwwwnossasaopauloorgbrportalnode1135gt Acessado em 14deAbrilde2014

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41 VIERHEILIG AA Methods of Recovering Rare Earth Elements US PatentNo82630282012

42 WILSON J W Fluid Catalytic Cracking Technology and Operation Tulsa Pennwell Books 1997 p 323

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44 WOJNAacuteROVITS I Radiaton Chemistry Handbook of Nuclear Chemistry -Chemical applications of nuclear reactions and radiations 2003

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47 YU ZS CHEN MB Rare Earth Elements and Their Applications Metallurgical Industry Press Beijing (PR China) 1995

48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 39: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

39

1000-

800mdash

600mdash

400mdash

200-(D

03

c (D

1600-

1400mdash1

1200-

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200-

0-

00

J latalisador Desativado

UumlJjy^ ntimWH A 5-921 (AI2 03)1 333 15-112 S Iacute 0 2

A i iacute iacute_i i raquo bullraquo X JL 100 200 300 400 500 600 700

20

FIGURA 8 - Difratograma de Raios X do catalisador de FCC desativado

Inicialmente tem-se o catalisador virgem com as fases cristalinas de

caolinita (roxo) h-faujasita (preto) e boemita (verde) bem caracteriacutesticas Apoacutes o

uso constante desse catalisador e por diversas vezes passar pelo regenerador

(altas temperatura e pressatildeo) acaba por ser consumido Cristalograficamente

essas fases iniciais transformam-se respectivamente em uma fase amorfa

contendo siliacutecio e alumiacutenio representado pela barriga (desvio da linha base) do

backgound dioacutexido de siliacutecio (azul) e alumina gama (vermelho)

4212 Preparo das amostras

O preparo dos catalisadores de FCC resume-se aos processamentos

por radiaccedilatildeo assim como a contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel As

condiccedilotildees para cada preparo satildeo detalhadas nos itens Irradiaccedilatildeo A a C

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 40: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

40

Irradiaccedilatildeo A - A s amostras de catalisadorde FCC virgem e desativado

foram separadas em quatro lotes de 10 g e acondicionadas em frascos de vidro

com tampa de borracha e submetidas a radiaccedilatildeo gama em temperatura ambiente

utilizando-se do irradiador multipropoacutesito de cobalto-60 do CTR localizado no

IPEN ateacute se atingirem doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

numa taxa de dose de 65 kGyh aproximadamente

O estudo da influecircncia da radiaccedilatildeo gama na superfiacutecie dos catalisadores

iniciou na deacutecada de 90 (Youssef et al 1990) Mas estudos indicam que

catalisadores de siacutelica-alumina sofrem reduccedilatildeo da aacuterea superficial aumento do

tamanho do poro quando tratados com raios gama (Youssef et al 1992) Ainda

que esse natildeo seja o foco do presente trabalho o que demandariam outros estudos

voltados nesse aspecto

Irradiaccedilatildeo B - Amostras de catalisador de FCC desativado foram

submetidas a radiaccedilatildeo utilizando-se de um acelerador industrial de eleacutetrons

Dynamitron DC15002504 modelo JOB 188 do Centro de Tecnologia das

Radiaccedilotildees localizado no IPEN-CNENSP Iniciou-se a irradiaccedilatildeo em temperatura

ambiente e o porta-amostra foi posicionado de forma estaacutetica em baixo do feixe de

eleacutetrons com energia utilizada de 13 MeV corrente do feixe de 35 mA e taxa de

dose de 253 kGys O porta-amostra ficou exposto a radiaccedilatildeo por 20 minutos

somando uma dose absorvida final de 3036 MGy e uma temperatura maacutexima de

558 degC Foram irradiadas amostras de 978 g cada massa essa obtida ao completar

cerca de 2 mm em expessura da cavidade do porta-amostra confeccionada em

accedilo inoxidaacutevel AISI 304

Seguido da irradiaccedilatildeo para a extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador

desativado foi utilizado o meacutetodo de lixiviaccedilatildeo com aacutecidos (He e Meng 2011) e

estudado comparativamente catalisadores desativado e desativado irradiado

sendo esse o principal foco no estudo do catalisador de FCC Esses ensaios foram

feitos apenas com os catalisadores desativados considerados para a induacutestria do

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 41: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

41

petroacuteleo como resiacuteduo soacutelido Foi estabelecido o valor percentual do lantacircnio em

24 de La2Uuml3 para futuros caacutelculos conforme apresentado na TAB 1

Tal meacutetodo consiste na lixiviaccedilatildeo com aacutecidos Utilizo-se aacutecido cloriacutedrico

(HCI) a uma concentraccedilatildeo de 35 molL e um volume de 500 mL e 978 g de

catalisador de FCC Apoacutes a filtraccedilatildeo do catalisador o mesmo foi levado a estufa e

seco a 130 degC por30 minutos

Irradiaccedilatildeo C - Um lote de catalisador de FCC virgem foi contaminado

com niacutequel e irradiado utilizando-se do mesmo acelerador industrial de eleacutetrons da

Irradiaccedilatildeo B Entretanto utilizou-se um sistema de passagem de bandeja por baixo

do feixe de eleacutetrons a uma velocidade de 672 mmin energia de 0904 MeV

corrente do feixe de 418 mA e uma taxa de dose de 2239 kGys ateacute atingir uma

dose absorvida de 20 kGy e 150 kGy Utilizaram-se placas de petri com 020 g de

amostra cada

Tendo o niacutequel como elemento contaminante que se deposita na

superfiacutecie do catalisador envenenando-o o que prejudica sua seletividade e

consequumlentemente observam-se os seguintes efeitos aumento na produccedilatildeo de

coque e diminuiccedilatildeo na produccedilatildeo de gasolina dentre outros (Upson 1981

Decroocq 1984 Wojciechowski e Corma 1986 Engelhard Coporation 1994

Wilson 1997)

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel - Simulou-se uma

contaminaccedilatildeo a 5000 ppm em niacutequel referente a metade do encontrado no

catalisador desativado aproximadamente pelo meacutetodo de Mitchell (Mitchell 1980)

o qual baseia-se na impregnaccedilatildeo incipiente incipiente wetness impregnation) do

contaminante niacutequel seguido de tratamentos teacutermicos a 500 degC por 1 hora e 750 degC

por2 horas

Apoacutes a contaminaccedilatildeo o catalisador foi irradiado conforme descrito na

Irradiaccedilatildeo C e em sequecircncia realizado um tratamento com diclorometano para

realizar a extraccedilatildeo do niacutequel encontrando na superfiacutecie do catalisador Esse meacutetodo

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 42: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

42

(Guisnet et al 2009) eacute o primeiro passo para a eliminaccedilatildeo do coque soluacutevel

depositado na superfiacutecie do catalisador e por isso escolhido como ensaio na

extraccedilatildeo do niacutequel uma vez que o mesmo se aloja na superfiacutecie do catalisador O

meacutetodo consiste na extraccedilatildeo sob refluxo com diclorometano O sistema eacute composto

por um balatildeo de fundo redondo acoplado a um condensador allihn tambeacutem

chamado de condensador de refluxo e aquecido sobre manta de aquecimento

Nesse sistema utilizaram-se peacuterolas de vidro para se evitar a ebuliccedilatildeo violenta

Dentre os ensaios realizados com 02 g de catalisador de FCC

contaminado observou-se que o processo ideal demandaria cerca de 25 g de

diclorometano em funccedilatildeo das dimensotildees da vidraria e o escape de diclorometano

do sistema decorrente da sua alta volatilidade Porfim realizaram-se seis ensaios

dividos em trecircs categorias

a) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 1 hora

b) Catalisador contaminado e refluxado com diclorometano por 3 horas

e 40 minutos e

c) Catalisador contaminado irradiado com 20kGy e refluxado com

diclorometano por 1 hora

Para cada categoria foram realizados dois ensaios sendo que os

ensaios de uma mesma categoria foram unidos em uma mesma amostra final e

homogeneizada para maior reprodutibilidade

4213 Resultados e discussatildeo

Irradiaccedilatildeo A - Como estudo inicial realizou-se a microscopia (MEV) dos

catalisadores irradiados para se verificar alguma mudanccedila no aspecto ou tamanho

meacutedio de partiacuteculas Na FIG 9 satildeo mostradas as micrografias dos catalisadores

irradiados por raios gama em comparaccedilatildeo com os natildeo irradiados

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 43: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

43

FIGURA 9 - Microscopia Eletrocircnica de Varredura (x250) dos catalisadores de FCC a) virgem b) virgem e irradiado a 20 kGy c) desativado e d) desativado e irradiado a 20kGy por raios gama

Pela micrografia (FIG9) eacute possiacutevel verificar-se algumas mudanccedilas sutis

na aparecircncia do catalisador apoacutes irradiaccedilatildeo por raios gama tais como aumento do

diacircmetro meacutedio das partiacuteculas do catalisador virgem e irradiado a 20 kGy

Os catalisadores de FCC foram analisados sob a oacutetica da espectroscopia

de infravermelho por transformada de Fourier(FTIR) para compreender a influecirccia

do processo de irradiaccedilatildeo nos catalisadores virgem e desativado obtendo-se os

espectros mostrados nas FIG 10 e 11

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 44: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

44

100

98

-mdash 32

90

16

-T ^2-

80

n 76

74

7i

70

bull i

laquo 637

raquo ^ laquo p iacute ^ raquo raquo ^ ^ ^ - ^

pf wS V

~ A r ll amp 1 ln 1 iacutel I

V s

1 1 1 I 1 f 1 4 | 1 1 k H i

virgem (0 kGy) virgem (20 kGy) virgem (50 kGy)

virgem (100 kGy) virgem (150 kGy)

1S00 cm-1

FIGURA 10 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC virgem e virgem irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50kGy 100kGye150kGy

1021 a

w

04

=2

30

desativado (0 kGy) desativado (20 kGy) desativado (50 kGy)

desativado (100 kGy) desativado (150 kGy)

FIGURA11 - Espectros de infravermelho para os catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado (raios gama) nas doses absorvidas de 20 kGy 50 kGy 100 kGy e 150 kGy

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 45: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

45

Essa teacutecnica foi utilizada para se correlacionar os espectros e estudar a

influecircncia da radiaccedilatildeo gama no catalisador Em primeiro momento nota-se que a

irradiaccedilatildeo natildeo foi capaz de alterar a moleacutecula do catalisador e nenhuma mudanccedila

foi percebida no que diz respeito a energia vibracional da estrutura molecular Logo

natildeo haacute diferenccedila significativa entre o catalisador irradiado com raios gama (20 kGy

50 kGy 100 kGy e 150 kGy) e o natildeo irradiado As informaccedilotildees provenientes do

ATR-FTIR satildeo compatiacuteveis com aquelas obtidas pela difraccedilatildeo de raios X em

concordacircncia com os dados obtidos pela fluorescecircncia de raios X no que diz

respeito as suas fases caracteriacutesticas Os espectros de infravemerlho mostradas

nas FIG 12 13 e 14 evidenciam os picos caracteriacutesticos dos elementos presente

no catalisador virgem de FCC concordante com as anaacutelises por DRX e EDX

V 3000 2000 1000

(cm-1)

Fonte NIST Chemistry WebBook

FIGURA 12 - Espectro de infravermelho do silicato de alumiacutenio

08 flj o _ E ltgt _

06

04

J

02 _ I I I 1 _ _ l I I I J I I I 1 _

46

Fonte Keresztury et al 1980

FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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46

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FIGURA 13 - Espectro de infravermelho da Bohemita

to o

E co tz 2

(cm-1)

Fonte IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia

FIGURA 14 - Espectro de infravermelho da caulinita

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Page 47: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

47

Irradiaccedilatildeo B - Os estudos envolvendo a extraccedilatildeo de terras-raras do

catalisador desativado de FCC por radiaccedilatildeo gama com doses absorvidas de

20 kGy a 150 kGy natildeo representaram contribuiccedilotildees significativas Poresse motivo

empregou-se no tratamento dos catalisadores de FCC uma dose absorvida superior

a empregada nos outros estudos (3036 MGy com eleacutetrons de 13 MeV e

temperatura maacutexima de 558 degC) utilizada tambeacutem no processamento do

catalisador de HCC

Os dois lotes de catalisadores de FCC desativado e desativado

irradiado foram processados pelo meacutetodo de He e Meng (2011) para se avaliar a

colaboraccedilatildeo da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons no processo de extraccedilatildeo de

terras-raras nesse caso do lantacircnio

Portanto para se estudar o rendimento da extraccedilatildeo o catalisador que

passou pelo processo de extraccedilatildeo foi submetido a uma uacuteltima anaacutelise pela teacutecnica

de EDX conforme apresentada na TAB 4

TABELA4 - EDX dos catalisadores de FCC desativado e desativado irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy) apoacutes tratamento quiacutemico

Oacutexidos ()

Si02

AI2O3 NiO

V205

Fe203

La203

Ti02

P205

S03

CaO C02O3 Sb203

ZnO Zr02

Ga203

SrO

FCC desativado

57834plusmn0075 37694plusmn0084 1246plusmn0003 1027plusmn0007 0702plusmn0003 0564 plusmn0007 0407plusmn0006 0157plusmn0009 0143plusmn0004 0071 plusmn0002 0067plusmn0001 004plusmn0001

0023plusmn0000 0012plusmn0000 0006plusmn0000 0005plusmn0000

FCCdesativado e irradiado

57924plusmn0074 37994plusmn0083 1092plusmn0003 0961 plusmn0007 0647plusmn0003 0531 plusmn0007 0315plusmn0006 0214plusmn0009 0113plusmn0004 0068plusmn0002 0055plusmn0001 0048plusmn0001 002plusmn0000

0008plusmn0000 0007plusmn0000 0004plusmn0000

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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21 CETESB - Ficha de Informaccedilatildeo Toxicoloacutegica Disponiacutevel em lthttpwwwcetesbspgovbruserfilesfilelaboratoriosfitniquelpdfgt Acessado em 14 de Abril de 2014

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23 HE H MENG J Recycling rare earth from spent FCC catalyst using P507 (HEHEHP) as extractant Zhongnan Daxue Xuebao Ziran Kexueban Vol 42 p 2651 - 2657 2011

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30 MITCHELL B R Metal Contamination of Cracking Catalysts Ind Eng Chem Res Dev (1980) 209-213

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47 YU ZS CHEN MB Rare Earth Elements and Their Applications Metallurgical Industry Press Beijing (PR China) 1995

48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 48: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

48

Apoacutes realizar o EDX nos catalisadores assegurou-se que ambos os

catalisadores (irradiado e natildeo irradiado) possuiam uma quantia percentual final de

lantacircnio equivalente Contudo esses valores absolutos natildeo foram utilizados no

caacutelculo de lantacircnio extraiacutedo pois houve uma mudanccedila percentual em todos os

elementos se comparado com as porcentagens do catalisador desativado cujos

valores satildeo apresentados na TAB 1

Assumiu-se o dioacutexido de siliacutecio (SIacuteO2) como elemento padratildeo de anaacutelise

uma vez que o mesmo possui uma temperatura de fusatildeo de 1610 degC e de ebuliccedilatildeo

de 2230 degC (BBC - Science Rocks and minerals) o que garante sua permanecircncia

em todos os ensaios sabendo-se que a temperatura maacutexima atingida nas

irradiaccedilotildees porfeixe de eleacutetrons foi de 558 degC

Portanto para efetuaro balanccedilo geral de massas eacute necessaacuterio o uso de

um elemento padratildeo que natildeo saiu da amostra Efetuando-se a razatildeo do elemento

a ser estudado lantacircnio no caso em relaccedilatildeo ao elemento padratildeo conforme a

Equaccedilatildeo 1 eacute possiacutevel afirmar com mais seguranccedila qual o percentual de lantacircnio

na amostra e por consequecircncia o percentual de sua extraccedilatildeo Os valores dos

(La203)antes e (Si02)antes no catalisador de FCC desativado satildeo respectivamente

iguais a 24 e 477 extraiacutedos da TAB 1

L a 2 0 3 _ I fdcpois

Extraccedilatildeo de lantacircnio () = ^ o L 1 0 0 (1) (mdashmdashmdash)antes S1O2 )

Feito esse estudo (Equaccedilatildeo 1) considerando-se os resultados

apresentados na TAB4 houve uma porcentagem de eliminaccedilatildeo de lantacircnio

(La2Uuml3) de 8062 para o catalisador desativado e de 8178 para o catalisador

desativado e irradiado por feixe de eleacutetrons (3036 MGy a 558 degC) Portanto fica

evidente que a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo de lantacircnio do catalisador de

FCC eacute insignificante nas condiccedilotildees estudadas

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 49: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

49

Contaminaccedilatildeo do catalisador virgem com niacutequel e

irradiaccedilatildeo C - Nesse estudo foi separado uma amostra do catalisador de FCC

virgem e seguindo o meacutetodo de Mitchell contaminou-se o catalisador com 5000 ppm

de niacutequel simulando um catalisador de meia-vida Apoacutes a contaminaccedilatildeo os

catalisadores foram irradiados por feixe de eleacutetrons conforme descrito no

item 4212 Preparo das amostras - Irradiaccedilatildeo C

Para um estudo incial realizou-se a anaacutelise por espectroscopia de

fluorescecircncia de raios X (EDX) cujos resultados satildeo apresentados na TAB 5 para

compreender se a metodologia aplicada alteraria de alguma forma a composiccedilatildeo

do catalisador aleacutem da mudanccedila na concentraccedilatildeo de niacutequel

Apoacutes se obter a referecircncia da composiccedilatildeo quiacutemica do material

seguiu-se pelo meacutetodo de Guisnet (Guisnet et al 2009) para a eliminaccedilatildeo do niacutequel

presente na superfiacutecie do catalisador sendo que apoacutes o tratamento repetiu-se a

anaacutelise de EDX para comparaccedilatildeo dos valores apresentados na TAB 6

TABELA 5 - EDX do catalisador de FCC contaminado com niacutequel e irradiado com feixe de eleacutetrons nas doses absorvidas de 20 kGy e 150 kGy

Oacutexidos

AI2O3

SIacuteO2

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e irradiado (20 kGy)

606plusmn03 385plusmn02 143plusmn003 095plusmn001

087plusmn003 054 plusmn0006 026plusmn002

014plusmn001

209plusmn50 66plusmn12 75plusmn10 133plusmn8 39plusmn6

FCC contaminado e irradiado(150kGy)

608plusmn03 350plusmn02 148plusmn003 095plusmn002

079plusmn003 052plusmn0006 034 plusmn002

013plusmn001

364plusmn70 209plusmn18 78plusmn15 100plusmn10 33plusmn9

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 50: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

50

TABELA 6 - EDX dos catalisadores de FCC contaminados com niacutequel refluxados (60 min e 220 min) e irradiado com doses de 20 kGy por feixe de eleacutetrons

Oacutexidos

AI2O3

Si02

La203

Fe203

Ti02

NiO S03

K20 M99-1 CaO ZnO

Ga203

Zr02

SrO

FCC contaminado e refluxado

(60 min)

611 plusmn03 348plusmn02

141 plusmn003

093plusmn001 086plusmn003

0511 plusmn0006 0264plusmn002

014plusmn001

240plusmn50 73plusmn10 73plusmn10 104plusmn7 31 plusmn6

FCC contaminado irradiado (20 kGy) e refluxado (60 min)

609plusmn01 348plusmn01 145plusmn003

094plusmn001 087plusmn002

0521 plusmn0006 031 plusmn001

0197plusmn0009

320plusmn60 100plusmn10 70plusmn4

120plusmn6 10plusmn1

FCC contaminado e refluxado (220 min)

609plusmn03 351 plusmn01 137plusmn003

0884plusmn001 083plusmn002

0492plusmn0006 032plusmn001 015plusmn001

378plusmn60 98plusmn8

76plusmn10

70plusmn5 26plusmn6

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3

Na TAB 5 eacute possiacutevel verificar que a contaminaccedilatildeo com niacutequel (NiO)

ocorreu conforme o esperado e comparativamente ao catalisador de FCC virgem

(14plusmn7 ppm ou 00014 plusmn 00007) natildeo houve mudanccedilas significativas em sua

composiccedilatildeo quiacutemica (TAB 1) Essa primeira interpretaccedilatildeo eacute vaacutelida para mostrar

que aleacutem do aumento do niacutequel o processo de contaminaccedilatildeo natildeo alterou a

composiccedilatildeo do catalisador de FCC assim como diferentes doses de radiaccedilatildeo com

feixe de eleacutetrons natildeo apresentaram mudanccedilas significativas na sua eliminaccedilatildeo

Eacute importante frisar que o catalisador de FCC possui a forma de um poacute

fino entretanto antes de qualquer ensaio ou anaacutelise o catalisador eacute

homogeneizado para assegurar que represente o lote como um todo Por

intermeacutedio dos valores obtidos por meio da teacutecnica de EDX eacute possiacutevel considerar

heterogeneidade no proacuteprio lote Vale lembrar que o catalisador contaminado nada

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 51: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

51

mais eacute que um catalisador virgem que sofreu o processo de contaminaccedilatildeo com

niacutequel Logo ambos deveriam apresentar uma porcentagem elementar similar

sendo que as anaacutelises mostram resultados levemente diferentes reforccedilando os

indiacutecios de heterogeneidade

Na TAB 6 eacute apresentada a comparaccedilatildeo do tratamento com

diclorometano nos catalisadores contaminados eacute possiacutevel verificar que tal

processo natildeo recebe contribuiccedilatildeo significativa da irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons

(20 kGy) no que diz respeito agrave eliminaccedilatildeo de niacutequel (NiO) Tal processo soacute eacute

intensificado quando o tempo de refluxo aumenta no caso analisado de 60 minutos

para 220 minutos

Utilizando-se da teacutecnica de difraccedilatildeo de raios X (DRX) foi possiacutevel

verificar se a radiaccedilatildeo nas determinadas doses foi sufuciente para alterar a

estrutura cristalina do catalisador obtendo-se os difratogramas mostrados nas

FIG 15e16

14-

12-

10-ro aacute v 08-

T3 ro T3 cotilde 06H c pound ^ 04-1

02-

00-

Contaminado (Ni) Desativado Virgem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 15 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de FCC virgem desativado e contaminado com niacutequel

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 52: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

52

16-

14-

^ 12-ro 3 10-(D

ro 08-g (gt sect 06-

-tmdashraquo _c

04-

02-

00-

Contaminado (Ni) 150 kGy e tratado Contaminado (Ni) Desativado Virgem

~ mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i mdash mdash i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

FIGURA 16 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas dos catalisadores de FCC virgem contaminado com niacutequel contaminado irradiado a 150 kGy por feixe de eleacutetrons e tratado com diclorometano e desativado

Inicialmente observa-se que o processo de contaminaccedilatildeo do catalisador

virgem com niacutequel modifica cristalograficamente suas fases ainda que natildeo o torne

similar ao desativado Isso porque no processo de contaminaccedilatildeo satildeo aplicadas

temperaturas elevadas no catalisadorde FCC

Contudo eacute possiacutevel verificar que o catalisador contaminado com niacutequel

encontra-se no estaacutegio intermediaacuterio entre o virgem e o desativado do ponto de

vista cristalograacutefico As fases inicias de caolinita e boemita transformaram-se em

uma fase amorfa e em alumina gama respectivamente Poreacutem a fase h-faujasita

estaacute presente e natildeo como na fase de dioacutexio de siliacutecio como visto no desativado

Jaacute no tratamento para eliminaccedilatildeo de niacutequel o catalisador contaminado

irradiado por feixe de eleacutetrons com uma dose absorvida de 150 kGy e tratado com

diclorometano apresenta estrutura cristalina idecircntica ao catalisador contaminado

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 53: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

53

(FIG 16) Assim nem o tratamento com diclorometano nem o processamento por

radiaccedilatildeo nessas condiccedilotildees atuam diretamente na mudanccedila de fases cristalinas

do catalisador de FCC

422 Catalisador de HCC

Na FIG 17 eacute mostrado o diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho

utilizada para a abordagem do estudo do catalisador de HCC

1

CatalisadordeHCC

i

EDX T

DRX i

Tratamento teacutermico

i EDX

i

Tratamento teacutermico com

radiaccedilatildeo

r EDX

Cristal Mo03

v DRX

FIGURA 17 - Diagrama esquemaacutetico da rota de trabalho para o estudo do catalisadorde HCC

4221 Anaacutelises iniciais

O catalisador de HCC eacute um extrudado de 4 mm a 8 mm de comprimento

por 2 mm a 5 mm de diacircmetro Foram estudados os catalisadores de HCC de trecircs

etapas virgem desativado do leito inferior e o desativado do leito superior

Esses catalisadores foram analisados por EDX para uma caracterizaccedilatildeo

elementar inicial conforme apresentado na TAB 2 Entretanto em funccedilatildeo da

heterogeneidade encontrada nocatalisadorde FCC fez-se necessaacuteria uma anaacutelise

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Page 54: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

54

mais minuciosa dos catalisadores de HCC Para tal as anaacutelises de EDX foram

realizadas no Centro de Ciecircncias e Tecnologia de Materiais (CCTM) do

IPEN-CNENSP em triplicatas

Para se ter uma ideacuteia inicial da estrutura cristalina do catalisador de

HCC esse foi submetido a anaacutelise de difraccedilatildeo de raios X (DRX) Pela anaacutelise dos

difratogramas mostradas na FIG 18 eacute possiacutevel compreender que os catalisadores

natildeo possuem fases cristalinas bem definidas Assim numa interpretaccedilatildeo mais

profunda seratildeo usados os resultados de EDX para se avaliar a influecircncia da

irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons no catalisador tendo como objetivo a extraccedilatildeo de

molibdecircnio de alto valor agregado acompanhando-se nesse caso a variaccedilatildeo das

porcentagens dos elementos estudados

14-

12-

10-co 3 08-

1 0 6 -Cfiacute c CD

c 04-

02-

00- - T -

10

Virgem Desativado (leito inferior) Desativado (leito superior)

- r -

20 - T -

30 - T -

40 - T -

50 - T -

60 - T -

70 - 1 80

2e

FIGURA 18 - Comparaccedilatildeo dos difratogramas (DRX) dos catalisadores de HCC virgem e desativados do leito inferior e superior

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 55: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

55

Encontraram-se esferas ceracircmicas durante o processo de moagem do

catalisador desativado do leito superior as quais eram difiacuteceis de serem

maceradas Essas esferas foram lavadas com aacutegua e secas para natildeo haver a

influecircncia de resiacuteduo do catalisador em sua superfiacutecie Apoacutes estarem limpas foram

enviadas ao CCTM para serem submetidas agrave difraccedilatildeo de raios X (DRX) Por meio

do difratograma mostrado na FIG 19 observa-se que essa esfera eacute constituiacuteda

basicamente de alumina-a e provavelmente natildeo foi formada no processo e sim

adicionada para auxiliar na desaglutinaccedilatildeo do coque no catalisador de HCC

c (D

1200^

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash

1400

1200mdash

1000mdash

800mdash

600mdash

400mdash

200mdash o

Esferas - Leito Superior

nmdash- - - - A IL 7R IQfiO Ap n J l ( J U ^ rpound J-0

J

1 1 i

_ _ _ A _

J

A

u gt

^ t

_ j

^ L -1

J

i

gt )

i

l A JU

-

I

00 100 200 300 20

400 500 600 700 800

FIGURA 19 - Difratograma das esferas (alumina- a) encontradas no catalisador de HCC do leito superior

Os catalisadores desativados possuem em sua composiccedilatildeo elementos

quiacutemicos (molibdecircnio niacutequel e cobalto) de valor agregado que valem suas

extraccedilotildees Portanto meacutetodos que facilitem a retirada desses elementos torna o

processo exequiacutevel financeiramente

Vale ressaltar que os catalisadores de HCC enquadram-se como resiacuteduo

perigoso Portanto com base nos estudos do Departamento de Quiacutemica da

Universidade Estadual de Moscou em parceria com o Instituto de Tecnologia de

Belgorod (Lunin et al 1993) fizeram-se os ensaios para extraccedilatildeo de molibdecircnio

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 56: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

56

4222 Preparo das amostras

Para que seja possiacutevel compreender se a irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons de meacutedia energia aliada a um tramento teacutermico colabora na extraccedilatildeo de

molibdecircnio do catalisador faz-se necessaacuteria uma comparaccedilatildeo com o meacutetodo

teacutermico

Portanto para se obter a informaccedilatildeo desejada os catalisadores de HCC

foram preparados em duas rotas distintas detelhadas nos itens tratamento teacutermico

e tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo

Tratamento teacutermico - No ensaio de tratamento teacutermico ou thermal

treatment (TT) o catalisador de HCC foi disposto dentro de um cadinho de alumina

posicionado sobre o dispositivo de aquecimento montado no Centro de Tecnologia

das Radiccedilotildees (CTR) com a resistecircncia de um acessoacuterio para aquecimento em altas

temperaturas do difratocircmetro de raios X Multi-Flex A resistecircncia foi conectada a

um transformador de tensatildeo variaacutevel e ligado a corrente alternada Para assegurar

que nenhuma sobrecarga fosse depositada agrave resistecircncia acoplou-se uma lacircmpada

de filamento de tungstecircnio que servia como fusiacutevel ao sistema aleacutem de alertar a

passagem de corrente eleacutetrica

O sistema foi dotado de trecircs multiacutemetros um para o controle de

temperatura efetuado pelo termopar tipo R (filamento de Pt-Rh 13 com 02 mm

de diacircmetro) sendo que sua leitura em milivolts foi convertida em graus Celcius

utilizando-se a tabela de conversatildeo um segundo multiacutemetro calibrado para

comparaccedilatildeo de temperatura efetuado por um termopar do tipo K (filamento de

cromel-alumel) obtendo o valor diretamente em graus Celcius e um uacuteltimo para

acompanhar a voltagem aplicada ao sistema de aquecimento

Na FIG 20 eacute mostrado o sistema de aquecimento montado para ensaios

de temperatura sem a colaboraccedilatildeo proveniente da irradiaccedilatildeo com feixe de

eleacutetrons

Nesses ensaios utilizaram-se apenas os catalisadores de HCC

desativados considerados como resiacuteduo soacutelido do processo de refino de petroacuteleo

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 57: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

57

FIGURA 20 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC com controle de temperatura

Foram realizados quatro ensaios dois deles com o catalisador

desativado de HCC do leito inferior e os outros dois com o catalisador desativado

do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de trabalho de 747 degC (TT-1) e 650 degC

(TT-2) Jaacute os catalisadores de HCC desativados do leito superior foram tratados

termicamente nas temperaturas meacutedias de 916 degC (TT-3) e 1056 degC (TT-4) Ambos

os catalisadores foram tratados no mesmo sistema de aquecimento mostrado na

FIG 20 por um periacuteodo de 20 minutos

Apoacutes o tratamento teacutermico o catalisador foi recolhido e resfriado em

dessecador macerado e enviado para anaacutelises de EDX Confrontando-se os dados

de EDX antes e apoacutes o tratamento teacutermico fez-se o estudo da porcentagem de

molibdecircnio extraiacutedo

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 58: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

58

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Esse ensaio diz respeito ao

tratamento teacutermico juntamente com a irradiaccedilatildeo por feixes de eleacutetrons de meacutedia

energia pois isso chamado de radiation-thermal treatment (RTT)

No que diz respeito a aplicaccedilatildeo da radiaccedilatildeo os catalisadores foram

irradiados utilizando-se um acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron DC

15002504 modelo JOB 188 utilizando-se os padrotildees de maacutequina com base nos

estudos do Departament of Petroleum Chemistry and Organic Catalysis Belgorod

Technological Institute of Building Materials and IA Grishmanova (Adigamov et

al 1988) energia de 13 MeV uma corrente de 35 mA em uma taxa de dose de

253 kGys sendo que o porta-amostra ficou exposto ao feixe de eleacutetrons por 20

minutos somando uma dose absorvida final no catalisador de HCC de 3036 MGy

Para que as amostras de catalisadores de HCC pudessem ser

irradiadas o sistema de aquecimento foi posicionado diretamente abaixo do feixe

de eleacutetrons conforme mostrado na FIG 21

FIGURA 21 - Sistema de aquecimento do catalisador de HCC e irradiaccedilatildeo simultacircnea com feixe de eleacutetrons de 13 MeV no IPEN-CNENSP

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 59: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

59

Para que o fluxo de ar que resfria o scan horn do acelerador natildeo

interferisse no aquecimento assim como na perda do catalisador de HCC a

abertura superior do sistema de aquecimento foi recoberta com uma fina folha de

titacircnio de 40 um de expessura Trata-se do mesmo material utilizado na janela do

scan horn que manteacutem a regiatildeo interna do acelerador de eleacutetrons em vaacutecuo e

minimiza a atenuaccedilatildeo do feixe de eleacutetrons

Os cabos eleacutetricos e o cabo de compensaccedilatildeo do termopar tipo R tambeacutem

foram recobertos com uma placa de chumbo para que natildeo houvesse nenhuma

interaccedilatildeo da radiaccedilatildeo com o material polimeacuterico dos cabos (FIG 21)

O sistema de aquecimento foi o mesmo usado no tratamento teacutermico

com poucas alteraccedilotildees Primeiramente o sistema foi colocado sobre uma bandeja

de accedilo inoxidaacutevel AISI304 para que pudesse ser manipulado com maiorfacilidade

Natildeo foram usadas a lacircmpada e o termopar tipo K de acompanhamento nesses

ensaios Foram utilizados dois multiacutemetros um para estabelecer a voltagem

aplicada no sistema de aquecimento e outro para acompanhar a temperatura (degC)

por intermeacutedio das leituras feitas pelo termopar tipo R

Apoacutes estabelecida a voltagem no sistema o multiacutemetro foi retirado da

instalaccedilatildeo A temperatura do sistema foi acompanhada em tempo-real pelo lado

externo da sala de irradiaccedilatildeo do acelerador industrial de eleacutetrons Dynamitron

DC15002504 modelo JOB 188

Assim como no tratamento teacutermico foram realizados quatro ensaios de

RTT dois com o catalisador de HCC desativado do leito inferior e dois com o

catalisador desativado do leito superior

Os catalisadores de HCC desativados do leito inferior foram submetidos

ao RTT nas temperaturas meacutedias de ensaio de 765 degC (RTT-1) e 540 degC (RTT-2)

Os catalisadores desativados do leito superior foram tratados nas temperaturas

meacutedias de 908 degC (RTT-3) e 1058 degC (RTT-4)

Apoacutes o ensaio o catalisador foi recolhido e resfriado em dessecador

macerado e enviado para anaacutelises de EDX no CCTM do IPEN-CNENSP

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 60: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

60

Em ambos tratamentos (TT e RTT) os valores de temperatura foram

obtidos pelo termopar tipo R Entretanto esse termopar encontra-se muito mais

perto da resistecircncia do que da amostra de catalisador de HCC

Para a obtenccedilatildeo de valores de temperatura mais precisos construiu-se

uma curva de calibraccedilatildeo utilizando o termopartipo K calibrado como padratildeo Este

foi posicionado dentro do cadinho e feito o aquecimento progressivo acompanhado

pela leitura do termopar tipo R Assim obtiveram-se os dados de ambos os

termopares A curva de calibraccedilatildeo eacute mostrada na FIG 22

1300 1200 1100 1000

^ 900 t^ 800 u 700 ra g- 600 | 500 H 400

300 200 100 0

gt

y jf y - zobeuUUix

R2 = 0999

mdashlt 0-++ - bull ^~gt+ - r

100 200 300 400 500 600 700 800 Termopar R (degC)

900 1000 1100 1200

FIGURA 22 - Curva de calibraccedilatildeo para mediccedilatildeo de temperatura

Tendo obtido a equaccedilatildeo da reta que melhor representa o perfil da curva

gerada pelos pontos de temperatura aplicou-se essa equaccedilatildeo aos valores obtidos

pelo termopar tipo R para a obtenccedilatildeo dos valores de temperatura corrigidos

4223 Resultados e discussatildeo

Tratamento teacutermico - Apoacutes realizado o ensaio de temperatura nos

catalisadores de HCC seguiu-se pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Page 61: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

61

extraccedilatildeo do molibdecircnio Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo apresentados

na TAB 7

TABELA 7 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

Si02

S03

V205

ZnO

HCC desativad TT-1

(747 degC) 56274plusmn0107 0007plusmn0004 0126plusmn0003 0009plusmn0003 0192plusmn0004 17926plusmn0016 4334plusmn0012 4404plusmn0022

-

0025plusmn0019 16692plusmn0025 0008plusmn0007 0004plusmn0001

0 (leito inferior) TT-2

(650 degC) 60421plusmn0111 0015plusmn0005 0134plusmn0003 0022plusmn0003 0191plusmn0004 19952plusmn0018 4955plusmn0014 4012plusmn0021

--

10271plusmn0021 0020plusmn0007 0004plusmn0001

HCC desativado (leito superior) TT-3

(916degC) 48324plusmn0112 0812plusmn0009 0145plusmn0003 0020plusmn0004 1325plusmn0009 18292plusmn0017 4448plusmn0013 3049plusmn0023 0003plusmn0001 7256plusmn0036 15815plusmn0027 0495plusmn0012 0016plusmn0001

TT-4 (1056 degC)

50133plusmn0114 0753plusmn0009 0149plusmn0003 0017plusmn0004 1279plusmn0009 17855plusmn0017 4590plusmn0013 3107plusmn0023 0002plusmn0001 6713plusmn0036 14924plusmn0027 0467plusmn0011 0010plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para calcularo rendimento da extraccedilatildeo de molibdecircnio faz-se necessaacuterio

novamente o caacutelculo do balanccedilo geral de massas Nesse caso escolheu-se o oacutexido

de alumiacutenio como elemento padratildeo (AI2Uuml3) em funccedilatildeo do tratamento teacutermico natildeo

ser capaz de eliminaacute-lo uma vez que seu ponto de ebuliccedilatildeo encontra-se a 2980 degC

(MSDS Sigma-Aldrich) muito acima do utilizado no tratamento teacutermico

Utilizando-se da Equaccedilatildeo 2 eacute possiacutevel calcular a porcentagem de

molibdecircnio (M0O3) encontrado na amostra e por consequecircncia o porcentual de

sua extraccedilatildeo efetuado pelo tratamento teacutermico

(Mo03 I fdcpois

Extraccedilatildeo de molibdecircnio () = fM20degoL 1 0 0

-)antes (l-(2)

A1203J

62

Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

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Com esses dados eacute possiacutevel assegurar uma extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) de 26238 23537 2403 e 8172 para os tratamentos TT-1 TT-2

TT-3 TT4 respectivamente

Tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo - Apoacutes realizado o ensaio de

temperatura e irradiaccedilatildeo simultacircnea (RTT) nos catalisadores de HCC seguiu-se

pela anaacutelise de EDX para estudar o rendimento da extraccedilatildeo do molibdecircnio (M0O3)

Os resultados da composiccedilatildeo quiacutemica satildeo mostrados na TAB 8

TABELA 8 - EDX dos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior tratados termicamente aliada a irradiaccedilatildeo com feixe de eleacutetrons (EB) e dose de 3036 MGy

Oacutexidos ()

AI2O3 AS2O3 CaO

C02O3 Fe2Uuml3 M0O3 NiO P205

Se02

SIacuteO2 SO3 V205

ZnO

HCC desativado (leito inferior) e irradiado (EB)

RTT-1 (765 degC)

70951plusmn0116 0007plusmn0003 0136plusmn0003 0015plusmn0003 0213plusmn0004 12979plusmn0012 5354 plusmn0012 4223plusmn0021

-

0055plusmn0018 6043plusmn0016 0020plusmn0006 0004plusmn0001

RTT-2 (540 degC)

59589plusmn0113 0023plusmn0005 0130plusmn0003 0019plusmn0003 0200plusmn0004 19840plusmn0018 4935plusmn0013 4281 plusmn0022

-

0004 plusmn0016 10969plusmn0022 0008plusmn0007 0003plusmn0001

HCC desativado (leito superior) e irradiado (EB)

RTT-3 (908 degC)

51544plusmn0112 0760plusmn0009 0135plusmn0003 0021 plusmn0004 1212plusmn0009 18922plusmn0018 4621 plusmn0013 3008plusmn0022 0001 plusmn0001 6423plusmn0034 12902plusmn0024 0437plusmn0011 0013plusmn0001

RTT-4 (1058 degC)

52960plusmn0114 0630plusmn0008 0106plusmn0003 0016plusmn0003 0882plusmn0008 18907plusmn0018 4634plusmn0013 3081 plusmn0022 0003plusmn0001 4880plusmn0031 13536plusmn0025 0361 plusmn0010 0005plusmn0001

Nuacutemero de repeticcedilotildees 3 - Natildeo detectado

Para se compreender os dados obtidos pelo EDX no tratamento teacutermico

aliado a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons (RTT) realizaram-se os mesmos caacutelculos

empregados no tratamento teacutermico (TT) utilizando-se a Equaccedilatildeo 2

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

1 ABADIE E Processo de Refino Material compilado pela Petrobraacutes Curitiba 2002

2 ADIGAMOV BYA LUNIN VV MIROSHNICHENKO II et at Vestn Mosk Univ Ser 2 Khim Vol 29 p 395 1988

3 ADZHIEV AYU ADIGAMOV BYA LUNIN VV MIROSHNICHENKO II PANTELEEV DM RYABCHENKO PV SADOVNICHAYA MV SOLOVETSKII YUI TALESKII YUV Radiation and Heat-lnduced Phase Transitions in the Structure of Iron-Containing Catalysts forthe Process of Direct Oxidation of Hydrogen Sulfide to Sulfur Kinetic and Catalysis Vol32 1991

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14 BUSNARDO RG Estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores gastos de hidrotratamento via fusatildeo com KHSO4 Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Quiacutemica Analiacutetica) Rio de Janeiro UFRJIQ 2005

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17 DECROOCQ D Catalytic cracking of heavy petroleum fractions 1a ed Paris Technip 1984 p 123

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71

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22 GUISNET M COSTA L RIBEIRO FR Prevention ofzeolite deactivation by coking Journal of Molecular Catalysis A Chemical Vol 305 p69-83 2009

23 HE H MENG J Recycling rare earth from spent FCC catalyst using P507 (HEHEHP) as extractant Zhongnan Daxue Xuebao Ziran Kexueban Vol 42 p 2651 - 2657 2011

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25 IR-Spectra Institute of Chemistry University of Tartu Estonia Disponiacutevel em lthttpterachem uteeIR_spectraindexphpoption=com_contentampview=ar ticleampid=41ampltemid=53gt Acessado em 12 de Junho de 2014

26 KERESZTURY G KISS A B FARKAS L Raman and ir spectra and structure of boehmite (y-AIOOH) Spectrochimica Acta Vol 36A 1980

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29 MINISTEacuteRIO DO MEIO AMBIENTE Resoluccedilatildeo Ndeg 315 de 29 de Outubro de 2002 Conselho Nacional Do Meio Ambiente - CONAMA

30 MITCHELL B R Metal Contamination of Cracking Catalysts Ind Eng Chem Res Dev (1980) 209-213

72

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36 PAPINI CJ Estudo comparativo de meacutetodos de determinaccedilatildeo do tamanho de partiacutecula Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Ciecircncias na Aacuterea de Tecnologia Nuclear- Materiais) - Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares Universidade de Satildeo Paulo 2003

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42 WILSON J W Fluid Catalytic Cracking Technology and Operation Tulsa Pennwell Books 1997 p 323

73

43 WOJCIECHOWSKI B W CORMA A Catalytic Cracking Catalyst Chemistry and Kinetics Chem Ind Ser n 25 New York Marcel Dekker Inc 1986 p 235

44 WOJNAacuteROVITS I Radiaton Chemistry Handbook of Nuclear Chemistry -Chemical applications of nuclear reactions and radiations 2003

45 YOUSSEF AM EL KHERBAWY M A SAMRA SE Effect of irradiation with gamma-rays on the surface and catalytic properties of SIacute02-AI203 and Li20-ompregnated SIacute02-AI203 systems Radiat Phys Chem p 559-563 Vol 40 1992

46 YOUSSEF AM EL-NABARAWY TH MOSTAFA MR Modification of surface properties of silica-alumina by irradiation with gamma-rays Radiat Phys Chem p 439 - 443 Vol 36 1990

47 YU ZS CHEN MB Rare Earth Elements and Their Applications Metallurgical Industry Press Beijing (PR China) 1995

48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 63: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

63

Vale ressaltar que os ensaios com feixe de eleacutetrons elevam a

temperatura ateacute 558 degC decorrente da accedilatildeo do bombardeio dos eleacutetrons com

energia de 13 MeV diretamente na amostra Portanto a temperatura maacutexima

obtida eacute controlada pelo sistema de aquecimento No caso do RTT a temperatura

maacutexima obtida foi de 1058 degC e a Equaccedilatildeo 2 foi utilizada no caacutelculo de extraccedilatildeo de

molibdecircnio

Obtendo-se portanto 57642 22904 5348 e 7952 de extraccedilatildeo

de molibdecircnio (M0O3) para os tratamentos RTT-1 RTT-2 RTT-3 e RTT-4

respectivamente

Na TAB 9 satildeo apresentados os resultados dos tratamentos TT e RTT

para maior facilidade na visualizaccedilatildeo

TABELA 9 - Valores comparativos para os tratamentos TT e RTT aplicados aos catalisadores de HCC desativados do leito inferior e superior

Tratamento teacutermico

HCC (leito inferior)

HCC (leito superior)

TT-1 TT-2 TT-3 TT-4

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

26238 23537 2403 8172

Temperatura (degC)

747 650 916

765 540 908

1056 1058

Extraccedilatildeo de molibdecircnio

()

57642 22904 5348 7952

Tratamento teacutermico aliada a irradiaccedilatildeo porfeixe de

eleacutetrons RTT-1 RTT-2 RTT-3 RTT-4

Nos graacuteficos das FIG 23 e 24 satildeo comparados o tratamento teacutermico (TT)

em relaccedilatildeo ao tratamento teacutermico com radiaccedilatildeo (RTT) para os catalisadores de

HCC desativados do leito inferior e superior

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

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J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

1 ABADIE E Processo de Refino Material compilado pela Petrobraacutes Curitiba 2002

2 ADIGAMOV BYA LUNIN VV MIROSHNICHENKO II et at Vestn Mosk Univ Ser 2 Khim Vol 29 p 395 1988

3 ADZHIEV AYU ADIGAMOV BYA LUNIN VV MIROSHNICHENKO II PANTELEEV DM RYABCHENKO PV SADOVNICHAYA MV SOLOVETSKII YUI TALESKII YUV Radiation and Heat-lnduced Phase Transitions in the Structure of Iron-Containing Catalysts forthe Process of Direct Oxidation of Hydrogen Sulfide to Sulfur Kinetic and Catalysis Vol32 1991

4 AFONSO JC AGUIAR RM SILVA GC O Problema do descarte de catalisadores industriais de hidrotratamento Bol teacutec Petrobras Rio de Janeiro 46 (34) 325 - 333 juldez 2003

5 AFONSO JC LAJTER K GOacuteES RS Recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores usados de hidrotratamento (NiMo e C0M0AI2O3) Quiacutemica Nova Vol20 No4 1997

6 AFONSO JC SILVA N SALVATO GN BUSNARDO RG Recuperaccedilatildeo de metais catalisadores de hidrorrefino usados via fusatildeo com KHSO4 Quiacutemica Nova Vol 29 No4 p856-861 2006

7 ALDRICH - AL-228 Sugestotildees para limpeza de vidrarias Disponiacutevel em lthttpwwwsigmaaldrichcometcmedialibdocsAldrichBulletinal_techbull _al228Par0001Filetmpal_techbull_al228pdfgt Acessado em 14 de Abril de2014

8 ALI M A TATSUMI T MASUDA T Development of heavy oil hydrocracking catalysts using amorphous silicaalumina and zeolites as catalystsupports Applied Catalysis A General Vol233 p77-90 2002

9 ARMOR JN A History of Industrial Catalysis Catalysis Today Vol163 2011

70

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13 BURGESS WA Identificaccedilatildeo de possiacuteveis riscos agrave sauacutede do trabalhador nosdiversos processos industriais 1 ed Belo Horizonte ErgoEditora 1997

14 BUSNARDO RG Estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores gastos de hidrotratamento via fusatildeo com KHSO4 Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Quiacutemica Analiacutetica) Rio de Janeiro UFRJIQ 2005

15 CABRAL RPB AZEVEDO JUacuteNIOR AF CARVALHO MWNC SANTOS ACB SILVA MA Siacutentese dos suportes zeoacutelita beta e SAPO-5 destinados a reaccedilatildeo de HCC 3o Congresso Brasileiro de PampD em Petroacuteleo e Gaacutes 2005

16 CERQUEIRA HS CAEIRO G COSTA L RIBEIRO FR Deactivation of FCC catalysts Journal of Molecular Catalysis A Chemical Vol292 p1-132008

17 DECROOCQ D Catalytic cracking of heavy petroleum fractions 1a ed Paris Technip 1984 p 123

18 DUARTE CL Aplicaccedilatildeo do processo avanccedilado de oxidaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons na degradaccedilatildeo de compostos orgacircnicos presentes em efluentes industriais Tese (Doutorado em Ciecircncia na Aacuterea de Tecnologia Nuclear- Aplicaccedilotildees) - Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares Universidade de Satildeo Paulo 1999

19 ECODEBATE publicado em 16 de Agosto de 2008 Disponiacutevel em lthttpwwwecodebatecombr20080816impasse-sobre-reducao-de-enxofre-no-diesel-esta-longe-do-fim-dizem-ongsgt Acessado em 14 de Abrilde2014

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28 LUNIN VV MIROSHNICHENKO II PANTELEEV DM SOLOVETSKII YUI Extraction and Purification of Molybdenum from Deactivated Hydrodesulfurization Catalysts by Radiation-Thermal Treatment Kinetic and Catalysis Vol34 1993

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30 MITCHELL B R Metal Contamination of Cracking Catalysts Ind Eng Chem Res Dev (1980) 209-213

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31 MSDS - Sigma-Aldrich Disponiacutevel em lthttpwwwsigmaaldrichcomMSDSMSDSDisplayMSDSPagedo7country =BRamplanguage=ptampproductNumber=319767ampbrand=SIALampPageToGoToU RL=http3A2F2Fwwwsigmaaldrichcom2Fcatalog2Fproduct2Fsi al2F3197673Flang3Dptgt Acessado em 10 de Junho de 2014

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34 National Institute of Standards and Technology (NIST) Chemistry WebBook Disponiacutevel em lthttpwebbooknistgovcg icbookcgiID=B6004665ampMask=80IR-Specgt Acessado em 12 de Junho de 2014

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36 PAPINI CJ Estudo comparativo de meacutetodos de determinaccedilatildeo do tamanho de partiacutecula Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Ciecircncias na Aacuterea de Tecnologia Nuclear- Materiais) - Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares Universidade de Satildeo Paulo 2003

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48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 64: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

64

FIGURA 23 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito inferior

f

ro O uuml

cu -n o m m

M X UUuml

90 85 80 75 70 65 60 55 bU 45 4U 35 30 25 20

900 950 1000 1050 1100 Temperatura (degC)

FIGURA 24 - Graacutefico comparativo dos tratamentos TT e RTT nos catalisadores de HCC desativado do leito superior

mdash bull - T T

^ ^ ^

65

Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

1 ABADIE E Processo de Refino Material compilado pela Petrobraacutes Curitiba 2002

2 ADIGAMOV BYA LUNIN VV MIROSHNICHENKO II et at Vestn Mosk Univ Ser 2 Khim Vol 29 p 395 1988

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4 AFONSO JC AGUIAR RM SILVA GC O Problema do descarte de catalisadores industriais de hidrotratamento Bol teacutec Petrobras Rio de Janeiro 46 (34) 325 - 333 juldez 2003

5 AFONSO JC LAJTER K GOacuteES RS Recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores usados de hidrotratamento (NiMo e C0M0AI2O3) Quiacutemica Nova Vol20 No4 1997

6 AFONSO JC SILVA N SALVATO GN BUSNARDO RG Recuperaccedilatildeo de metais catalisadores de hidrorrefino usados via fusatildeo com KHSO4 Quiacutemica Nova Vol 29 No4 p856-861 2006

7 ALDRICH - AL-228 Sugestotildees para limpeza de vidrarias Disponiacutevel em lthttpwwwsigmaaldrichcometcmedialibdocsAldrichBulletinal_techbull _al228Par0001Filetmpal_techbull_al228pdfgt Acessado em 14 de Abril de2014

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46 YOUSSEF AM EL-NABARAWY TH MOSTAFA MR Modification of surface properties of silica-alumina by irradiation with gamma-rays Radiat Phys Chem p 439 - 443 Vol 36 1990

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48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 65: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

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Eacute possiacutevel observar que a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons favorece na

extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) em ambos os casos Contudo nota-se maior

contraste para os catalisadores desativados do leito inferior sendo que quanto

maior a energia teacutermica aplicada ao sistema maior o rendimento da extraccedilatildeo Para

os catalisadores desativados do leito superior existe um maior rendimento na

extraccedilatildeo de molibdecircnio em temperaturas mais baixas (900 degC) jaacute em altas

temperaturas (1060 degC) natildeo eacute notada a contribuiccedilatildeo da radiaccedilatildeo

Durante os tratamentos de radiation-thermal treatment foi observado no

RTT-1 um cristal formado ao redor do cadinho de alumina mostrado na FIG 25

Apoacutes extraccedilatildeo do cadinho e moagem analisou-se o cristal formado por DRX cujo

difratograma eacute mostrado na FIG 26

FIGURA 25 - Processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT a) cadinho de alumina e b) cristal formado apoacutes a irradiaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons de 13 MeV

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

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200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

1 ABADIE E Processo de Refino Material compilado pela Petrobraacutes Curitiba 2002

2 ADIGAMOV BYA LUNIN VV MIROSHNICHENKO II et at Vestn Mosk Univ Ser 2 Khim Vol 29 p 395 1988

3 ADZHIEV AYU ADIGAMOV BYA LUNIN VV MIROSHNICHENKO II PANTELEEV DM RYABCHENKO PV SADOVNICHAYA MV SOLOVETSKII YUI TALESKII YUV Radiation and Heat-lnduced Phase Transitions in the Structure of Iron-Containing Catalysts forthe Process of Direct Oxidation of Hydrogen Sulfide to Sulfur Kinetic and Catalysis Vol32 1991

4 AFONSO JC AGUIAR RM SILVA GC O Problema do descarte de catalisadores industriais de hidrotratamento Bol teacutec Petrobras Rio de Janeiro 46 (34) 325 - 333 juldez 2003

5 AFONSO JC LAJTER K GOacuteES RS Recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores usados de hidrotratamento (NiMo e C0M0AI2O3) Quiacutemica Nova Vol20 No4 1997

6 AFONSO JC SILVA N SALVATO GN BUSNARDO RG Recuperaccedilatildeo de metais catalisadores de hidrorrefino usados via fusatildeo com KHSO4 Quiacutemica Nova Vol 29 No4 p856-861 2006

7 ALDRICH - AL-228 Sugestotildees para limpeza de vidrarias Disponiacutevel em lthttpwwwsigmaaldrichcometcmedialibdocsAldrichBulletinal_techbull _al228Par0001Filetmpal_techbull_al228pdfgt Acessado em 14 de Abril de2014

8 ALI M A TATSUMI T MASUDA T Development of heavy oil hydrocracking catalysts using amorphous silicaalumina and zeolites as catalystsupports Applied Catalysis A General Vol233 p77-90 2002

9 ARMOR JN A History of Industrial Catalysis Catalysis Today Vol163 2011

70

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12 BINNEMANS K JONES PT BLANPAIN B GERVEN TV YANG Y WALTON A BUCHERT M Recycling of rare earths a critical review Journal of Cleaner Production p 1 - 22 Vol 51 2013

13 BURGESS WA Identificaccedilatildeo de possiacuteveis riscos agrave sauacutede do trabalhador nosdiversos processos industriais 1 ed Belo Horizonte ErgoEditora 1997

14 BUSNARDO RG Estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores gastos de hidrotratamento via fusatildeo com KHSO4 Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Quiacutemica Analiacutetica) Rio de Janeiro UFRJIQ 2005

15 CABRAL RPB AZEVEDO JUacuteNIOR AF CARVALHO MWNC SANTOS ACB SILVA MA Siacutentese dos suportes zeoacutelita beta e SAPO-5 destinados a reaccedilatildeo de HCC 3o Congresso Brasileiro de PampD em Petroacuteleo e Gaacutes 2005

16 CERQUEIRA HS CAEIRO G COSTA L RIBEIRO FR Deactivation of FCC catalysts Journal of Molecular Catalysis A Chemical Vol292 p1-132008

17 DECROOCQ D Catalytic cracking of heavy petroleum fractions 1a ed Paris Technip 1984 p 123

18 DUARTE CL Aplicaccedilatildeo do processo avanccedilado de oxidaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons na degradaccedilatildeo de compostos orgacircnicos presentes em efluentes industriais Tese (Doutorado em Ciecircncia na Aacuterea de Tecnologia Nuclear- Aplicaccedilotildees) - Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares Universidade de Satildeo Paulo 1999

19 ECODEBATE publicado em 16 de Agosto de 2008 Disponiacutevel em lthttpwwwecodebatecombr20080816impasse-sobre-reducao-de-enxofre-no-diesel-esta-longe-do-fim-dizem-ongsgt Acessado em 14 de Abrilde2014

71

20 ENGELHARD COPORATION Millennium TM Fluid catalytic Cracking Catalysts [SL] 1994 Disponiacutevel em lthttpwwwrefiningonlinecomEngelhardKBprodPBRMilhtmgt Acessado em 14deAbrilde2014

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27 LIMA TS CAMPOS PC AFONSO JC Solubilizaccedilatildeo de catalisadores desativados em meio contendo fluoreto - II Catalisadores de hidrotratamento Boacutel teacutec PETROBRAS Rio de Janeiro 41 (34) 169-178 juldez 1998

28 LUNIN VV MIROSHNICHENKO II PANTELEEV DM SOLOVETSKII YUI Extraction and Purification of Molybdenum from Deactivated Hydrodesulfurization Catalysts by Radiation-Thermal Treatment Kinetic and Catalysis Vol34 1993

29 MINISTEacuteRIO DO MEIO AMBIENTE Resoluccedilatildeo Ndeg 315 de 29 de Outubro de 2002 Conselho Nacional Do Meio Ambiente - CONAMA

30 MITCHELL B R Metal Contamination of Cracking Catalysts Ind Eng Chem Res Dev (1980) 209-213

72

31 MSDS - Sigma-Aldrich Disponiacutevel em lthttpwwwsigmaaldrichcomMSDSMSDSDisplayMSDSPagedo7country =BRamplanguage=ptampproductNumber=319767ampbrand=SIALampPageToGoToU RL=http3A2F2Fwwwsigmaaldrichcom2Fcatalog2Fproduct2Fsi al2F3197673Flang3Dptgt Acessado em 10 de Junho de 2014

32 MYRSTAD T SELJESTOKKEN B ENGAN H RYTTER E Effect of nickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha Applied Catalysis A General p 299-305 Vol192 2000

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34 National Institute of Standards and Technology (NIST) Chemistry WebBook Disponiacutevel em lthttpwebbooknistgovcg icbookcgiID=B6004665ampMask=80IR-Specgt Acessado em 12 de Junho de 2014

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36 PAPINI CJ Estudo comparativo de meacutetodos de determinaccedilatildeo do tamanho de partiacutecula Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Ciecircncias na Aacuterea de Tecnologia Nuclear- Materiais) - Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares Universidade de Satildeo Paulo 2003

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44 WOJNAacuteROVITS I Radiaton Chemistry Handbook of Nuclear Chemistry -Chemical applications of nuclear reactions and radiations 2003

45 YOUSSEF AM EL KHERBAWY M A SAMRA SE Effect of irradiation with gamma-rays on the surface and catalytic properties of SIacute02-AI203 and Li20-ompregnated SIacute02-AI203 systems Radiat Phys Chem p 559-563 Vol 40 1992

46 YOUSSEF AM EL-NABARAWY TH MOSTAFA MR Modification of surface properties of silica-alumina by irradiation with gamma-rays Radiat Phys Chem p 439 - 443 Vol 36 1990

47 YU ZS CHEN MB Rare Earth Elements and Their Applications Metallurgical Industry Press Beijing (PR China) 1995

48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 66: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

66

(D

03

c (D

6 0 0 0 -

5 0 0 0 -

4 0 0 0 -

3 0 0 0 -

2 0 0 0 -

1 0 0 0 -

1 4 0 0 -

1 2 0 0 -

1 0 0 0 -

800-

600-

400-

200-

0-

J

100

-Cristal- RTT

U U L J L -5-508 Mo 03

UL j I J Iacute M K Uuml U a R 200 300 400

20 500 600 700 800

FIGURA26- Difratograma de Raios X (DRX) do cristal formado no processamento do catalisador de HCC desativado (leito inferior) por RTT

Observa-se portanto que o cristal formado no tratamento por RTT-1 eacute

o trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) extraiacutedo do catalisador de HCC desativado (leito

inferior) Eacute possiacutevel que as condiccedilotildees internas do forno favoreceram a

recristalizaccedilatildeo do molibdecircnio Jaacute nos outros ensaios verificou-se a perda de

molibdecircnio no catalisador processado por RTT e TT

No processo de RTT a irradiaccedilatildeo porfeixe de eleacutetrons de meacutedia energia

reduz a temperatura de vaporizaccedilatildeo do trioacutexido de molibdecircnio (M0O3) tornando

possiacutevel sua sublimaccedilatildeo com uma maior eficiecircncia Isso se deve a cristalizaccedilatildeo de

algumas fases que contenham molibdecircnio as quais satildeo prontamente destruiacutedas

pela radioacutelise em altas temperaturas (Lunin et al 1993)

A formaccedilatildeo do cristal de molibdecircnio foi prevista por Solovetskii o qual

notou a deposiccedilatildeo do cristal de M0O3 com 999 de pureza nas partes frias do

aparato montado para o experimento de RTT (Solovestkii et al 1998)

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

1 ABADIE E Processo de Refino Material compilado pela Petrobraacutes Curitiba 2002

2 ADIGAMOV BYA LUNIN VV MIROSHNICHENKO II et at Vestn Mosk Univ Ser 2 Khim Vol 29 p 395 1988

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16 CERQUEIRA HS CAEIRO G COSTA L RIBEIRO FR Deactivation of FCC catalysts Journal of Molecular Catalysis A Chemical Vol292 p1-132008

17 DECROOCQ D Catalytic cracking of heavy petroleum fractions 1a ed Paris Technip 1984 p 123

18 DUARTE CL Aplicaccedilatildeo do processo avanccedilado de oxidaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons na degradaccedilatildeo de compostos orgacircnicos presentes em efluentes industriais Tese (Doutorado em Ciecircncia na Aacuterea de Tecnologia Nuclear- Aplicaccedilotildees) - Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares Universidade de Satildeo Paulo 1999

19 ECODEBATE publicado em 16 de Agosto de 2008 Disponiacutevel em lthttpwwwecodebatecombr20080816impasse-sobre-reducao-de-enxofre-no-diesel-esta-longe-do-fim-dizem-ongsgt Acessado em 14 de Abrilde2014

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27 LIMA TS CAMPOS PC AFONSO JC Solubilizaccedilatildeo de catalisadores desativados em meio contendo fluoreto - II Catalisadores de hidrotratamento Boacutel teacutec PETROBRAS Rio de Janeiro 41 (34) 169-178 juldez 1998

28 LUNIN VV MIROSHNICHENKO II PANTELEEV DM SOLOVETSKII YUI Extraction and Purification of Molybdenum from Deactivated Hydrodesulfurization Catalysts by Radiation-Thermal Treatment Kinetic and Catalysis Vol34 1993

29 MINISTEacuteRIO DO MEIO AMBIENTE Resoluccedilatildeo Ndeg 315 de 29 de Outubro de 2002 Conselho Nacional Do Meio Ambiente - CONAMA

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34 National Institute of Standards and Technology (NIST) Chemistry WebBook Disponiacutevel em lthttpwebbooknistgovcg icbookcgiID=B6004665ampMask=80IR-Specgt Acessado em 12 de Junho de 2014

35 OELDERIK JM SIE ST BODE D Progress in the Catalysis of the Upgrading of Petroleum Residue Applied Catalysis Vol47 1989

36 PAPINI CJ Estudo comparativo de meacutetodos de determinaccedilatildeo do tamanho de partiacutecula Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Ciecircncias na Aacuterea de Tecnologia Nuclear- Materiais) - Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares Universidade de Satildeo Paulo 2003

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38 SHREVE RN Jr BRINK J A Induacutestria de Processos Quiacutemicos 4 ed Rio de Janeiro Guanabara 1977

39 SOLOVETSKII YUI PANTELEEV DM LUNIN VV High-Temperature Electron Irradiation and Radiation-Thermal Technology for Utilization Purification and Production ofSome Metals Radiation Physics Chemistry Vol52 1998

40 UPSON L L What FCC catalyst test show Hydroc Proc nov p 253-258 1981

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42 WILSON J W Fluid Catalytic Cracking Technology and Operation Tulsa Pennwell Books 1997 p 323

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43 WOJCIECHOWSKI B W CORMA A Catalytic Cracking Catalyst Chemistry and Kinetics Chem Ind Ser n 25 New York Marcel Dekker Inc 1986 p 235

44 WOJNAacuteROVITS I Radiaton Chemistry Handbook of Nuclear Chemistry -Chemical applications of nuclear reactions and radiations 2003

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46 YOUSSEF AM EL-NABARAWY TH MOSTAFA MR Modification of surface properties of silica-alumina by irradiation with gamma-rays Radiat Phys Chem p 439 - 443 Vol 36 1990

47 YU ZS CHEN MB Rare Earth Elements and Their Applications Metallurgical Industry Press Beijing (PR China) 1995

48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 67: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

67

Capiacutetulo 5

CONCLUSAtildeO

Por intermeacutedio dos dados obtidos no estudo voltado ao catalisador de

FCC (Fluid Catalytic Cracking) eacute possiacutevel concluir que o processamento por

radiaccedilatildeo seja feixe de eleacutetrons de alta energia ou raios gama nas condiccedilotildees

estudadas natildeo colaboraram no processo de extraccedilatildeo de lantacircnio (La203) nem na

eliminaccedilatildeo do niacutequel um dos contaminantes mais significativos para a desativaccedilatildeo

irreversiacutevel do catalisador

A irradiaccedilatildeo do catalisador desativado de HCC (Hidrocatalytic Cracking)

do leito inferior com feixe de eleacutetrons de 13 MeV de energia e dose absorvida de

3036 MGy mostra-se eficiente no que diz respeito a extraccedilatildeo de molibdecircnio

(M0O3) sendo que em temperaturas similares em torno de 750 degC os

catalisadores irradiados mostraram um rendimento aproximado de duas vezes

maior em comparaccedilatildeo ao natildeo irradiado ou seja 5765 e 2624

respectivamente

Para o catalisador desativado de HCC do leito superior a irradiaccedilatildeo por

feixe de eleacutetrons tambeacutem mostra-se eficiente na extraccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3)

Entretanto de uma forma menos evidente sendo que para temperaturas elevadas

em torno de 1050 degC a participaccedilatildeo da radiaccedilatildeo na extraccedilatildeo eacute indiferente ou seja

795 e 817 para o catalisador desativado do leito superior irradiado e natildeo

irradiado respectivamente

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

1 ABADIE E Processo de Refino Material compilado pela Petrobraacutes Curitiba 2002

2 ADIGAMOV BYA LUNIN VV MIROSHNICHENKO II et at Vestn Mosk Univ Ser 2 Khim Vol 29 p 395 1988

3 ADZHIEV AYU ADIGAMOV BYA LUNIN VV MIROSHNICHENKO II PANTELEEV DM RYABCHENKO PV SADOVNICHAYA MV SOLOVETSKII YUI TALESKII YUV Radiation and Heat-lnduced Phase Transitions in the Structure of Iron-Containing Catalysts forthe Process of Direct Oxidation of Hydrogen Sulfide to Sulfur Kinetic and Catalysis Vol32 1991

4 AFONSO JC AGUIAR RM SILVA GC O Problema do descarte de catalisadores industriais de hidrotratamento Bol teacutec Petrobras Rio de Janeiro 46 (34) 325 - 333 juldez 2003

5 AFONSO JC LAJTER K GOacuteES RS Recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores usados de hidrotratamento (NiMo e C0M0AI2O3) Quiacutemica Nova Vol20 No4 1997

6 AFONSO JC SILVA N SALVATO GN BUSNARDO RG Recuperaccedilatildeo de metais catalisadores de hidrorrefino usados via fusatildeo com KHSO4 Quiacutemica Nova Vol 29 No4 p856-861 2006

7 ALDRICH - AL-228 Sugestotildees para limpeza de vidrarias Disponiacutevel em lthttpwwwsigmaaldrichcometcmedialibdocsAldrichBulletinal_techbull _al228Par0001Filetmpal_techbull_al228pdfgt Acessado em 14 de Abril de2014

8 ALI M A TATSUMI T MASUDA T Development of heavy oil hydrocracking catalysts using amorphous silicaalumina and zeolites as catalystsupports Applied Catalysis A General Vol233 p77-90 2002

9 ARMOR JN A History of Industrial Catalysis Catalysis Today Vol163 2011

70

10 BADER N Catalyst handling disposal become more important in environmental era Oil and Gas Journal Tulsa Vol94 No12 p64-66 1996

11 BBC - Science Rocks and minerals Disponiacutevel em lthttpwwwbbccoukschoolsgcsebitesizescienceadd_ocr_pre_2011che micalsrocksmineralsrev3shtmlgt Acessado em 10 de Junho de 2014

12 BINNEMANS K JONES PT BLANPAIN B GERVEN TV YANG Y WALTON A BUCHERT M Recycling of rare earths a critical review Journal of Cleaner Production p 1 - 22 Vol 51 2013

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14 BUSNARDO RG Estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores gastos de hidrotratamento via fusatildeo com KHSO4 Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Quiacutemica Analiacutetica) Rio de Janeiro UFRJIQ 2005

15 CABRAL RPB AZEVEDO JUacuteNIOR AF CARVALHO MWNC SANTOS ACB SILVA MA Siacutentese dos suportes zeoacutelita beta e SAPO-5 destinados a reaccedilatildeo de HCC 3o Congresso Brasileiro de PampD em Petroacuteleo e Gaacutes 2005

16 CERQUEIRA HS CAEIRO G COSTA L RIBEIRO FR Deactivation of FCC catalysts Journal of Molecular Catalysis A Chemical Vol292 p1-132008

17 DECROOCQ D Catalytic cracking of heavy petroleum fractions 1a ed Paris Technip 1984 p 123

18 DUARTE CL Aplicaccedilatildeo do processo avanccedilado de oxidaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons na degradaccedilatildeo de compostos orgacircnicos presentes em efluentes industriais Tese (Doutorado em Ciecircncia na Aacuterea de Tecnologia Nuclear- Aplicaccedilotildees) - Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares Universidade de Satildeo Paulo 1999

19 ECODEBATE publicado em 16 de Agosto de 2008 Disponiacutevel em lthttpwwwecodebatecombr20080816impasse-sobre-reducao-de-enxofre-no-diesel-esta-longe-do-fim-dizem-ongsgt Acessado em 14 de Abrilde2014

71

20 ENGELHARD COPORATION Millennium TM Fluid catalytic Cracking Catalysts [SL] 1994 Disponiacutevel em lthttpwwwrefiningonlinecomEngelhardKBprodPBRMilhtmgt Acessado em 14deAbrilde2014

21 CETESB - Ficha de Informaccedilatildeo Toxicoloacutegica Disponiacutevel em lthttpwwwcetesbspgovbruserfilesfilelaboratoriosfitniquelpdfgt Acessado em 14 de Abril de 2014

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23 HE H MENG J Recycling rare earth from spent FCC catalyst using P507 (HEHEHP) as extractant Zhongnan Daxue Xuebao Ziran Kexueban Vol 42 p 2651 - 2657 2011

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27 LIMA TS CAMPOS PC AFONSO JC Solubilizaccedilatildeo de catalisadores desativados em meio contendo fluoreto - II Catalisadores de hidrotratamento Boacutel teacutec PETROBRAS Rio de Janeiro 41 (34) 169-178 juldez 1998

28 LUNIN VV MIROSHNICHENKO II PANTELEEV DM SOLOVETSKII YUI Extraction and Purification of Molybdenum from Deactivated Hydrodesulfurization Catalysts by Radiation-Thermal Treatment Kinetic and Catalysis Vol34 1993

29 MINISTEacuteRIO DO MEIO AMBIENTE Resoluccedilatildeo Ndeg 315 de 29 de Outubro de 2002 Conselho Nacional Do Meio Ambiente - CONAMA

30 MITCHELL B R Metal Contamination of Cracking Catalysts Ind Eng Chem Res Dev (1980) 209-213

72

31 MSDS - Sigma-Aldrich Disponiacutevel em lthttpwwwsigmaaldrichcomMSDSMSDSDisplayMSDSPagedo7country =BRamplanguage=ptampproductNumber=319767ampbrand=SIALampPageToGoToU RL=http3A2F2Fwwwsigmaaldrichcom2Fcatalog2Fproduct2Fsi al2F3197673Flang3Dptgt Acessado em 10 de Junho de 2014

32 MYRSTAD T SELJESTOKKEN B ENGAN H RYTTER E Effect of nickel and vanadium on sulphur reduction of FCC naphtha Applied Catalysis A General p 299-305 Vol192 2000

33 NATIONAL ENERGY TECHNOLOGY LABORATORY A Literature Review on Cold Cracking of Petroleum Crude 07 Energy Policy Act of 2005Section 14062005

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35 OELDERIK JM SIE ST BODE D Progress in the Catalysis of the Upgrading of Petroleum Residue Applied Catalysis Vol47 1989

36 PAPINI CJ Estudo comparativo de meacutetodos de determinaccedilatildeo do tamanho de partiacutecula Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Ciecircncias na Aacuterea de Tecnologia Nuclear- Materiais) - Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares Universidade de Satildeo Paulo 2003

37 SALOMON M Folha de Satildeo Paulo em Brasiacutelia 04092008 Disponiacutevel em lt httpwwwnossasaopauloorgbrportalnode1135gt Acessado em 14deAbrilde2014

38 SHREVE RN Jr BRINK J A Induacutestria de Processos Quiacutemicos 4 ed Rio de Janeiro Guanabara 1977

39 SOLOVETSKII YUI PANTELEEV DM LUNIN VV High-Temperature Electron Irradiation and Radiation-Thermal Technology for Utilization Purification and Production ofSome Metals Radiation Physics Chemistry Vol52 1998

40 UPSON L L What FCC catalyst test show Hydroc Proc nov p 253-258 1981

41 VIERHEILIG AA Methods of Recovering Rare Earth Elements US PatentNo82630282012

42 WILSON J W Fluid Catalytic Cracking Technology and Operation Tulsa Pennwell Books 1997 p 323

73

43 WOJCIECHOWSKI B W CORMA A Catalytic Cracking Catalyst Chemistry and Kinetics Chem Ind Ser n 25 New York Marcel Dekker Inc 1986 p 235

44 WOJNAacuteROVITS I Radiaton Chemistry Handbook of Nuclear Chemistry -Chemical applications of nuclear reactions and radiations 2003

45 YOUSSEF AM EL KHERBAWY M A SAMRA SE Effect of irradiation with gamma-rays on the surface and catalytic properties of SIacute02-AI203 and Li20-ompregnated SIacute02-AI203 systems Radiat Phys Chem p 559-563 Vol 40 1992

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48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

Page 68: autarquia associada a universidade de são paulo estudo do efeito

68

Trabalhos futuros

bull Construir um dispositivo que seja possiacutevel recolher o molibdecircnio

(M0O3) que eacute extraiacutedo pelo processo RTT (radiation-thermal treatment) dos

catalisadores de HCC (hidrocatalytic cracking) desativados dos leitos superior e

inferior

bull Otimizar os paracircmetros de temperatura versus doses absorvidas na

recuperaccedilatildeo de molibdecircnio (M0O3) dos catalisadores de HCC processados por

feixe de eleacutetrons

69

REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

1 ABADIE E Processo de Refino Material compilado pela Petrobraacutes Curitiba 2002

2 ADIGAMOV BYA LUNIN VV MIROSHNICHENKO II et at Vestn Mosk Univ Ser 2 Khim Vol 29 p 395 1988

3 ADZHIEV AYU ADIGAMOV BYA LUNIN VV MIROSHNICHENKO II PANTELEEV DM RYABCHENKO PV SADOVNICHAYA MV SOLOVETSKII YUI TALESKII YUV Radiation and Heat-lnduced Phase Transitions in the Structure of Iron-Containing Catalysts forthe Process of Direct Oxidation of Hydrogen Sulfide to Sulfur Kinetic and Catalysis Vol32 1991

4 AFONSO JC AGUIAR RM SILVA GC O Problema do descarte de catalisadores industriais de hidrotratamento Bol teacutec Petrobras Rio de Janeiro 46 (34) 325 - 333 juldez 2003

5 AFONSO JC LAJTER K GOacuteES RS Recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores usados de hidrotratamento (NiMo e C0M0AI2O3) Quiacutemica Nova Vol20 No4 1997

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10 BADER N Catalyst handling disposal become more important in environmental era Oil and Gas Journal Tulsa Vol94 No12 p64-66 1996

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14 BUSNARDO RG Estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores gastos de hidrotratamento via fusatildeo com KHSO4 Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Quiacutemica Analiacutetica) Rio de Janeiro UFRJIQ 2005

15 CABRAL RPB AZEVEDO JUacuteNIOR AF CARVALHO MWNC SANTOS ACB SILVA MA Siacutentese dos suportes zeoacutelita beta e SAPO-5 destinados a reaccedilatildeo de HCC 3o Congresso Brasileiro de PampD em Petroacuteleo e Gaacutes 2005

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14 BUSNARDO RG Estudo da viabilidade teacutecnica da recuperaccedilatildeo de metais de catalisadores gastos de hidrotratamento via fusatildeo com KHSO4 Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Quiacutemica Analiacutetica) Rio de Janeiro UFRJIQ 2005

15 CABRAL RPB AZEVEDO JUacuteNIOR AF CARVALHO MWNC SANTOS ACB SILVA MA Siacutentese dos suportes zeoacutelita beta e SAPO-5 destinados a reaccedilatildeo de HCC 3o Congresso Brasileiro de PampD em Petroacuteleo e Gaacutes 2005

16 CERQUEIRA HS CAEIRO G COSTA L RIBEIRO FR Deactivation of FCC catalysts Journal of Molecular Catalysis A Chemical Vol292 p1-132008

17 DECROOCQ D Catalytic cracking of heavy petroleum fractions 1a ed Paris Technip 1984 p 123

18 DUARTE CL Aplicaccedilatildeo do processo avanccedilado de oxidaccedilatildeo por feixe de eleacutetrons na degradaccedilatildeo de compostos orgacircnicos presentes em efluentes industriais Tese (Doutorado em Ciecircncia na Aacuterea de Tecnologia Nuclear- Aplicaccedilotildees) - Instituto de Pesquisas Energeacuteticas e Nucleares Universidade de Satildeo Paulo 1999

19 ECODEBATE publicado em 16 de Agosto de 2008 Disponiacutevel em lthttpwwwecodebatecombr20080816impasse-sobre-reducao-de-enxofre-no-diesel-esta-longe-do-fim-dizem-ongsgt Acessado em 14 de Abrilde2014

71

20 ENGELHARD COPORATION Millennium TM Fluid catalytic Cracking Catalysts [SL] 1994 Disponiacutevel em lthttpwwwrefiningonlinecomEngelhardKBprodPBRMilhtmgt Acessado em 14deAbrilde2014

21 CETESB - Ficha de Informaccedilatildeo Toxicoloacutegica Disponiacutevel em lthttpwwwcetesbspgovbruserfilesfilelaboratoriosfitniquelpdfgt Acessado em 14 de Abril de 2014

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28 LUNIN VV MIROSHNICHENKO II PANTELEEV DM SOLOVETSKII YUI Extraction and Purification of Molybdenum from Deactivated Hydrodesulfurization Catalysts by Radiation-Thermal Treatment Kinetic and Catalysis Vol34 1993

29 MINISTEacuteRIO DO MEIO AMBIENTE Resoluccedilatildeo Ndeg 315 de 29 de Outubro de 2002 Conselho Nacional Do Meio Ambiente - CONAMA

30 MITCHELL B R Metal Contamination of Cracking Catalysts Ind Eng Chem Res Dev (1980) 209-213

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31 MSDS - Sigma-Aldrich Disponiacutevel em lthttpwwwsigmaaldrichcomMSDSMSDSDisplayMSDSPagedo7country =BRamplanguage=ptampproductNumber=319767ampbrand=SIALampPageToGoToU RL=http3A2F2Fwwwsigmaaldrichcom2Fcatalog2Fproduct2Fsi al2F3197673Flang3Dptgt Acessado em 10 de Junho de 2014

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40 UPSON L L What FCC catalyst test show Hydroc Proc nov p 253-258 1981

41 VIERHEILIG AA Methods of Recovering Rare Earth Elements US PatentNo82630282012

42 WILSON J W Fluid Catalytic Cracking Technology and Operation Tulsa Pennwell Books 1997 p 323

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43 WOJCIECHOWSKI B W CORMA A Catalytic Cracking Catalyst Chemistry and Kinetics Chem Ind Ser n 25 New York Marcel Dekker Inc 1986 p 235

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48 ZENZ F A Help from Project E-A-R-L Hydrocarbon Processing p 119 Abril 1974

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71

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