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Abstract(s)
The presence of nitrogen compounds in fossil fuels leads to the formation of NOx during combustion, harmful pollutants that represent a significant challenge for the environment and health, making its removal very important. Hydrotreatment, currently the most common strategy for denitrogenation, requires severe operating conditions, which motivates the search for more sustainable alternatives. This study investigates oxidative denitrogenation (ODN) as a promising strategy, analyzing the oxidation of quinoline, a nitrogen-containing compound common in fossil fuels, using catalysts based cobalt ferrite and its variants coated with silica (CoFe2O4@SiO2) and carbon (CoFe2O4@C), applied in a biphasic system containing isooctane as the organic phase and hydrogen peroxide as the oxidant. Cobalt ferrite was synthesized using the sol-gel method, followed by silica and carbon coatings. Characterization techniques such as XRD, FTIR and contact angle measurements confirmed the successful synthesis of core-shell structures, with crystallite sizes in the 19-20 nm range. The coatings significantly modified the surface properties, reducing the hydrophobicity of the ferrite, with the contact angle reduced from 130° to 40° with silica. Quinoline adsorption tests revealed a low adsorption capacity of the materials, in line with the low surface area and low pore volume determined by N2 adsorption isotherms at 77 K (SBET = 9-10 m2/g). In the oxidation reactions, CoFe2O4@SiO2 showed the best catalytic performance removing 74% of quinoline in 8 hours, likely due to its hydrophilic surface, favorable to the generation of reactive oxygen species through the decomposition of H2O2 and consequent greater quinoline removal. GC-MS identified intermediate degradation products, including species suggesting the opening of pyridine rings, while TOC analysis confirmed significant quinoline mineralization. The study highlights the potential of oxidative denitrogenation systems, combined with coated catalysts, to effectively remove nitrogen impurities from liquid fuels, offering a promising alternative to conventional hydrotreatment.
A presença de compostos azotados nos combustíveis fósseis leva à formação de NOx durante a combustão, poluentes nocivos que representam um desafio significativo para o ambiente e para a saúde, tornando a sua remoção muito importante. O hidrotratamento, atualmente a estratégia mais comum para a desnitrogenação, requer condições de operação severas, o que motiva a procura de alternativas mais sustentáveis. Este estudo investiga a desnitrogenação oxidativa (ODN) como uma estratégia promissora, analisando a oxidação da quinolina, um composto contendo azoto comum em combustíveis fósseis, utilizando catalisadores baseados em ferrite de cobalto e suas variantes revestidas com sílica (CoFe2O4@SiO2) e carbono (CoFe2O4@C) , aplicados num sistema bifásico contendo isooctano como fase orgânica e peróxido de hidrogénio como oxidante. A ferrite de cobalto foi sintetizada pelo método sol-gel, seguida de revestimentos de sílica e carbono. As técnicas de caraterização, tais como XRD, FTIR e medições do ângulo de contacto, confirmaram a síntese bem sucedida de estruturas core-shell, com tamanhos de cristalitos na gama de 19-20 nm. Os revestimentos modificaram significativamente as propriedades da superfície, reduzindo a hidrofobicidade da ferrite, com o ângulo de contacto reduzido de 130° para 40° com sílica. Os testes de adsorção de quinolina revelaram uma baixa capacidade de adsorção dos materiais, em conformidade com a baixa área superficial e o baixo volume de poros determinados pelas isotérmicas de adsorção de N2 a 77 K (SBET = 9-10 m2/g). Nas reacções de oxidação, o CoFe2O4@SiO2 apresentou o melhor desempenho catalítico, removendo 74% da quinolina em 8 horas, possivelmente relacionado à sua superfície hidrofílica, favorável à geração de espécies reactivas de oxigénio através da decomposição do H2O2 e consequente maior remoção da quinolina. O GC-MS identificou produtos de degradação intermédios, incluindo espécies que sugerem a abertura de anéis de piridina, enquanto a análise do TOC confirmou uma mineralização significativa da quinolina. O estudo mostra o potencial dos sistemas de desnitrogenação oxidativa, combinados com catalisadores revestidos, para remover eficazmente as impurezas azotadas dos combustíveis líquidos, oferecendo uma alternativa promissora ao hidrotratamento convencional.
A presença de compostos azotados nos combustíveis fósseis leva à formação de NOx durante a combustão, poluentes nocivos que representam um desafio significativo para o ambiente e para a saúde, tornando a sua remoção muito importante. O hidrotratamento, atualmente a estratégia mais comum para a desnitrogenação, requer condições de operação severas, o que motiva a procura de alternativas mais sustentáveis. Este estudo investiga a desnitrogenação oxidativa (ODN) como uma estratégia promissora, analisando a oxidação da quinolina, um composto contendo azoto comum em combustíveis fósseis, utilizando catalisadores baseados em ferrite de cobalto e suas variantes revestidas com sílica (CoFe2O4@SiO2) e carbono (CoFe2O4@C) , aplicados num sistema bifásico contendo isooctano como fase orgânica e peróxido de hidrogénio como oxidante. A ferrite de cobalto foi sintetizada pelo método sol-gel, seguida de revestimentos de sílica e carbono. As técnicas de caraterização, tais como XRD, FTIR e medições do ângulo de contacto, confirmaram a síntese bem sucedida de estruturas core-shell, com tamanhos de cristalitos na gama de 19-20 nm. Os revestimentos modificaram significativamente as propriedades da superfície, reduzindo a hidrofobicidade da ferrite, com o ângulo de contacto reduzido de 130° para 40° com sílica. Os testes de adsorção de quinolina revelaram uma baixa capacidade de adsorção dos materiais, em conformidade com a baixa área superficial e o baixo volume de poros determinados pelas isotérmicas de adsorção de N2 a 77 K (SBET = 9-10 m2/g). Nas reacções de oxidação, o CoFe2O4@SiO2 apresentou o melhor desempenho catalítico, removendo 74% da quinolina em 8 horas, possivelmente relacionado à sua superfície hidrofílica, favorável à geração de espécies reactivas de oxigénio através da decomposição do H2O2 e consequente maior remoção da quinolina. O GC-MS identificou produtos de degradação intermédios, incluindo espécies que sugerem a abertura de anéis de piridina, enquanto a análise do TOC confirmou uma mineralização significativa da quinolina. O estudo mostra o potencial dos sistemas de desnitrogenação oxidativa, combinados com catalisadores revestidos, para remover eficazmente as impurezas azotadas dos combustíveis líquidos, oferecendo uma alternativa promissora ao hidrotratamento convencional.
Description
Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Keywords
Oxidative denitrogenation Cobalt ferrite Biphasic system Coated catalysts