Membranes made of composite polymer material are widely employed to separate gas mixtures in industrial processes. These membranes have better performance than membranes consisting of polymer alone. To understand the mechanism and therefore aid membrane design it is essential to explore the penetrant transport in the complex composites from the molecular level, but few researchers have done such research to our knowledge. Herein the penetrant transport in the composite Poly (4-methyl-2-pentyne) (PMP) and silica nanoparticle is being explored with molecular dynamics (MD) simulations. The structure of the PMP and amorphous silica nanoparticle composite was modeled and with the structure the variation of the cavity size distribution was established due to the existence of nanoparticles. The diffusivity of different penetrants, including H2, O2, Ar, CH4 and n-C4H10 was determined through least square fit of the data of mean square displacement at different times in the Fickian diffusive regime. The solubility coefficients and the permeability of different penetrants in PMP and the composite were calculated and the distribution of potential difference due to the penetrant insertion was analyzed in detail to find the reason of higher solubility in composite than pure PMP. Silica has different crystalline form. In faujasite silica, there are pores that are large enough to allow penetrants to pass through, while in cristobalite silica, the Si and O atoms are densely packed and there are no pores that penetrants can pass through. The transport properties of penetrants in the composite of PMP and nanoparticles of these two types of silica are therefore different. The molecular dynamics method was employed in the research to explore the transport of different penetrants in the composites of PMP and nanoparticles of two forms of silica, namely the cristobalite form and the faujasite form. The structures of the PMP and nanoparticle of cristobalite silica composite (PMPC) and the PMP and nanoparticle of faujasite silica composite (PMPF) were established and relaxed. With the relaxed structure, the cavity size change due to the insertion of both types of nanoparticle was analyzed. The diffusivity of different penetrants was determined through least square fit of the data of mean square displacement at different time in Fickian diffusive regime. The solubility coefficients and the permeability of different penetrants in PMPC and PMPF were calculated and compared. The parameters of "Ti" in the Lennard-Jones potential equation were estimated; MD simulation of penetrants transport in composite poly (4-methyl-2-pentyne) and TiO2 nanoparticles were done; the simulation results were compared with composite poly (4-methyl-2-pentyne) and silica nanoparticles. / Ph. D.

Οι ζεόλιθοι ανήκουν στα νανοπορώδη υλικά ή αλλιώς και μοριακά κόσκινα. Βρίσκουν δε εφαρμογή σε πληθώρα εφαρμογών, καλύπτοντας ένα μεγάλο θερμοκρασιακό φάσμα. Η γνώση της απόκρισής τους κατά τις μεταβολές της θερμοκρασίας είναι καθοριστικής σημασίας για την αποδοτικότητά τους, ακόμα περισσότερο όταν εμφανίζονται ανώμαλα φαινόμενα, όπως αρνητικός συντελεστής θερμικής διαστολής. Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στην ερμηνεία αυτού του φαινομένου με την χρήση προσομοιώσεων και πειραμάτων σκέδασης ακτίνων Χ. Ένα νέο πεδίο δυνάμεων αναπτύχθηκε και χρησιμοποιήθηκε σε προσομοιώσεις δυναμικής πλέγματος, όπου για πρώτη φορά προβλέπεται η συστολή της μοναδιαίας κυψελίδας του σιλικαλίτη, όπως και η διαστολή της μοναδιαίας κυψελίδας του αργιλοπυριτικού φωγιασίτη (NaX) πάνω από την θερμοκρασία δωματίου. Περαιτέρω ανάλυση των αποτελεσμάτων δείχνει πως υπεύθυνες για την συστολή κατά την θέρμανση είναι οι περιστροφές των τετραέδρων SiO4 και AlO4 από τα οποία απαρτίζεται η δομή. Αυτό το αποτέλεσμα είναι σύμφωνο με τον μηχανισμό των περιστροφών άκαμπτων μονάδων που προτείνεται στην βιβλιογραφία (R.U.M.). Στη συνέχεια υπολογίζονται μηχανικές ιδιότητες του υλικού, όπως το μέτρο Young και το μέτρο ελαστικότητας όγκου. Τέλος μελετήθηκε η απόκριση της δομής των ζεολίθων σε ερεθίσματα πέραν της θερμοκρασίας, όπως μεταβολή πίεσης και ρόφηση μορίων. Χαρακτηριστικά καταλήγουμε πως η δομή αποκρίνεται στην άσκηση της πίεσης μέσω του ίδιου μηχανισμού που καθορίζει της θερμοκρασιακή της απόκριση, δηλαδή τις περιστροφές των άκαμπτων ή σχεδόν άκαμπτων τετραέδρων. Επίσης, σε ό, τι αφορά την επίδραση της ρόφησης, η παρουσία των μορίων εξανίου, παρόλο επιφέρει δομικές αλλαγές που βελτιώνουν την αποδοτικότητα των ζεολιθικών μεμβρανών, αυτές οι αλλαγές δεν επηρεάζουν τις ροφητικές ιδιότητες στο εσωτερικό του κρυστάλλου. / Zeolites are nanoporous materials, otherwise called molecular sieves. The knowledge of the response of a zeolite structure to temperature changes or to the presence of host molecules in the pore system is of critical significance for the performance of zeolites as molecular sieves, especially if they are prepared in the form of membranes. Crack formation or grain boundary openings may appear between the substrate and the membrane due to a mismatch between the thermal expansion coefficient of the two materials, affecting the sorption and selectivity properties of the membrane. The problem is enhanced when the zeolite shows negative thermal expansion coefficient. The present work focuses in the mechanism that lies behind contraction upon heating, with the use of simulations and powder XRD experiments. A new force field was developed and was implemented in lattice dynamics simulations. It’s the first time that simulations predict the contraction of silicalite unit cell as well as the expansion of aluminosilicate faujasite (NaX) unit cell above room temperature. Further analysis of the simulation data shows that the Rigid Unit Mode (R.U.M.) mechanism that is proposed in the literature is the dominant mechanism of thermal contraction of the zeolite. Furthermore, mechanical properties such as Young modulus and bulk modulus were computed with the use of the newly derived force field. Finally, the response of framework upon pressure change and sorption of molecules was investigated. The zeolite structure response upon pressure change is similar to this of the temperature response, meaning that the volume and atomic positions change with the help of the rotations of the rigid AlO2/SiO2 tetrahedra. Concerning the response upon sorption, is was found with the help of theoretical calculations that although unit cell size variations that are induced by temperature changes and/or sorption may affect the efficiency of silicalite-1 membrane performance through alteration of the size of the non-zeolitic pores, such changes appear to affect negligibly the bulk sorption capacity of the silicalite-1 crystals.

Magister Scientiae (Medical Bioscience) - MSc(MBS) / The South African economy relies heavily on mining. The residues of these activities contain harmful metals that are discharged into the environment as industrial wastes, contaminating the air, soil, surface and ground water. A lot of people who live in remote areas in South Africa rely on ground water to drink and cook. They also cultivate their own vegetables increasing the risk of metal toxicity. Some of these metals are very toxic and can cause adverse effects upon being ingested. Toxic metals are well known to be harmful to humans. Some of these metals are carcinogenic or nephrotoxic when a large amount is accumulated in the human body causing cancer and destroying tissues such as the kidneys. The detrimental health effects of these metals may take months to years before manifestation causing people to sideline them as hazards. One of the major toxic elements that are discharged into the environment is lead. A natural zeolite called clinoptilolite has been widely used as an adsorbent for toxic metals from contaminated water and from the human body because of its properties such as ion-exchange capacity and pore size. However, this natural zeolite clinoptilolite is not pure and may contain traces of toxic elements of which the nature and concentration depend on the origin of clinoptilolite. The structural stability of clinoptilolite in acidic or alkaline media is not well documented. The lack of documented information about the leachates of clinoptilolite and their long term effects on the human body may cause harm to people who ingest this zeolite. This has led to investigation of synthetic zeolites such as faujasite which has already been used for decontamination of sludge, industrial effluents and other waste water by removing toxic metals such as Pb, Cd, Cu, Zn and As. This study focuses on comparing the toxic metal removal efficiency of natural zeolite clinoptilolite (C), clinoptilolite-based faujasite (FAU3) and clinoptilolite-based ultrastable Y zeolite (USY3), from contaminated water and simulated gastric juice containing lead and cadmium and to evaluate the extent of leaching of other elements from these zeolites. Clinoptilolite was used as a starting material for the synthesis of faujasite (FAU3) which was further treated with oxalic acid to get an ultrastable Y zeolite (USY3). Various techniques were used to characterise the as-received clinoptilolite, faujasite zeolite and USY, namely XRD, SEMEDS, FTIR, solid state NMR (27Al and 29Si) and BET-N2. These characterisation techniques confirmed that clinoptilolite was successfully transformed into faujasite and that the treatment of faujasite with oxalic acid yielded USY3. A comparative adsorption study was conducted using three zeolite samples: namely Clinoptilolite (C), clinoptilolite-based faujasite (FAU3) and ultrastable Y zeolite (USY3). ICP was used to characterise the liquid samples and it was concluded that zeolites were efficient in removing lead and cadmium from contaminated water samples as well as from simulated gastric juice. Some leachates from these zeolites were also observed. A contaminated water sample containing lead and cadmium was used as a medium where the removal capacity and percentage removal with C, FAU3 and USY3 was investigated. It was observed that the optimum dosage varied from one zeolite to the other and also from one metal to the other. The optimum dosage for C, FAU3 and USY3 for the uptake of lead was found to be 0.2 g, 0.2 g and 0.05 g respectively while for cadmium it was 0.4 g, 005 g and 0.1 g, respectively. It was also shown in this study that the removal capacity for lead and cadmium could be hindered by the Na content in FAU3 and USY3 due to the fact that these metals could be in an uptake competition with Na and other cations that leached out or exchanged from the zeolites. It was observed that the optimum metal concentration for lead uptake as well as for cadmium with few metals being released back into the solution was 0.1 mg/L. The optimum contact time for both lead and cadmium was 15 minutes. The factor that varied depending on the type of metal was pH, which was at its optimum at 3.5 for lead and at 5.5 for cadmium. A simulated gastric juice was contaminated with toxic metals (lead and cadmium) and the zeolites were used to treat the contaminated samples. It was shown that the removal capacity of these zeolites increased with the increase in initial concentration of the metal. Time proved to be one factor that affected the behaviour of zeolites. The modification of the synthesised faujasite into an ultrastable Y zeolite proved to have played a role in increasing the removal of toxic metals and in preventing the high leaching of some elements out of the zeolite. / 2018-12-14

Οι ζεόλιθοι είναι κρυσταλλικά αργιλοπυριτικά υλικά με πόρους μοριακών διαστάσεων και για το λόγο αυτό συχνά καλούνται και ως μοριακά κόσκινα. Χαρακτηρίζονται από την ικανότητα ρόφησης αερίων και ατμών, ανταλλαγής των κατιόντων της δομής τους, καθώς και κατάλυσης σημαντικού αριθμού χημικών αντιδράσεων. Λόγω των ιδιαίτερων φυσικοχημικών ιδιοτήτων τους, οι ζεόλιθοι αποτελούν ιδανικά υλικά για το διαχωρισμό μορίων με διαφορετικό σχήμα, μέγεθος ή πολικότητα γι’αυτό την τελευταία δεκαετία μέρος του ερευνητικού ενδιαφέροντος έχει επικεντρωθεί στην ανάπτυξη πολυκρυσταλλικών μεμβρανών από ζεόλιθους με σκοπό το διαχωρισμό αερίων και υγρών μιγμάτων. Στην παρούσα Διατριβή μελετήθηκε η κρυστάλλωση μεμβρανών φωγιασίτη πάνω σε πορώδη υποστρώματα από α-Al2O3 με επίπεδη και κυλινδρική γεωμετρία συναρτήσει διαφόρων παραμέτρων σύνθεσης όπως ήταν η σύσταση, η θερμοκρασία, ο χρόνος και η γήρανση των αιωρημάτων σύνθεσης των μεμβρανών Συνολικά εξετάστηκαν πέντε διαφορετικές συστάσεις. Η σύσταση 4.17Na2O : 1.0Al2O3 : 10TEA (τριαιθανολαμίνη) : 1.87SiO2 : 460H2O οδήγησε στην ανάπτυξη μεμβρανών φωγιασίτη με λιγότερες ατέλειες και για αυτό μελετήθηκε περισσότερο. Η ικανότητα των μεμβρανών να διαχωρίζουν μίγματα CO2 / H2, CO2 / N2, CO2 / CH4, CO2 / H2 / N2 / CH4, C3H6 / C3H8, C3H6 / N2, C3H8 / N2 και C3H6 / C3H8 / N2 εξετάστηκε συναρτήσει της θερμοκρασίας, της σύστασης και της πίεσης της τροφοδοσίας καθώς και της παρουσίας ή μη υγρασίας στο ρεύμα της τροφοδοσίας. Τα πειράματα διαπερατότητας απέδειξαν, ότι ευνοείται η εκλεκτική μεταφορά κυρίως του CO2 και του C3H6 μέσα από τις μεμβράνες. Η εκλεκτικότητα μπορεί να αποδοθεί στην ισχυρή αλληλεπίδραση των μορίων αυτών με τα κατιόντα Na+ που περιέχονται στη δομή του φωγιασίτη. Τέλος, μελετήθηκαν οι μηχανισμοί μεταφοράς μάζας των μιγμάτων CO2 / H2 και CO2 / H2 / N2 / CH4 με τη χρήση της θεωρίας Stefan-Maxwell. Επιπρόσθετα εξετάστηκαν διάφορες περιπτώσεις αργού σταδίου (διάχυση και εκρόφηση) καθώς και συνδυασμοί διαφορετικών μηχανισμών διάχυσης (επιφανειακή διάχυση και ενεργοποιημένη διάχυση αερίων). Οι συντελεστές διάχυσης υπολογίστηκαν από το συνδυασμό των πειραματικών δεδομένων ρόφησης και διαπερατότητας των καθαρών συστατικών. Η ανάλυση που πραγματοποιήθηκε οδήγησε στο συμπέρασμα ότι η μεταφορά των μιγμάτων μέσα από τις μεμβράνες μπορεί να προβλεφθεί κυρίως από το μηχανισμό της επιφανειακής διάχυσης. / Zeolites are crystalline aluminosilicate materials. They are frequently called molecular sieves because they have pores of molecular dimensions. They are able to adsorb gases or vapors, to exchange framework cations and to catalyze a large number of chemical reactions. Due to their physicochemical properties they are ideal materials for the discrimination of molecules based on their shape, size or polarity. The last decade part of the research attention has been focused on the synthesis of polycrystalline zeolite membranes for the separation of gas and vapor mixtures. In the present thesis the crystallization of faujasite membranes on porous flat or tubular α-Al2O3 substrates was studied as a function of several synthesis parameters such as composition, temperature, time and aging of sol mixtures. Five different compositions were examined. Membranes synthesized using sols with composition 4.17Na2O : 1.0Al2O3 : 10TEA (triethanolamine) : 1.87SiO2 : 460H2O, had the best separation performance. The ability of the membranes to separate CO2 / H2, CO2 / N2, CO2 / CH4, CO2 / H2 / N2 / CH4, C3H6 / C3H8, C3H6 / N2, C3H8 / N2 and C3H6 / C3H8 / N2 mixtures was examined as a function of temperature, feed mixture composition, total feed pressure and the presence or not of humidity in the feed side. In all cases the membranes were either CO2 or C3H6 selective. The separation ability can be attributed to the strong interaction between those molecules with the Na+ cations of the faujasite framework. The transport of CO2, H2, N2 and CH4 through the membranes was modeled using the Maxwell-Stefan theory. Two different cases of rate limiting step (diffusion and desorption) as well as several combinations of different diffusion mechanisms (surface diffusion and activated gaseous diffusion) were considered. The diffusion coefficients were calculated using the single-component permeation and adsorption data. It has been possible to predict the multicomponent permeation fluxes when surface diffusion was assumed the transport mechanism of all species.

Το αντικείμενο της έρευνας της παρούσας εργασίας είναι η ατομιστική προσομοίωση της ρόφησης αερίων μέσα σε ζεολιθους, καθώς και η επίδραση της θερμοκρασίας στην δομή του και την ροφητική του ικανότητα. Από τους σχεδόν 200 συνθετικούς και φυσικούς ζεολίθους, επιλέχθηκε ο φωγιασίτης, ο οποίος αποτελεί ένα πολλά υποσχόμενο υλικό με πλήθος εφαρμογών, όπως η ρόφηση, η αποθήκευση και ο διαχωρισμός αερίων, αλλά και σε τομείς όπως η κατάλυση και η δημιουργία συσκευών ανίχνευσης αερίων. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας εξετάστηκε η αλληλεπίδραση των κατιόντων της δομής με μόρια διαφόρων αερίων, τα οποία ροφούνται στον φωγιασίτη, καθώς και ο βαθμός στον οποίο αυτή η αλληλεπίδραση επηρεάζει την ποσότητα του αερίου που μπορεί να ροφηθεί. Πιο συγκεκριμένα, αρχικά ανακατασκευάστηκε στον υπολογιστή η δομή της μοναδιαίας κυψελίδας του φωγιασίτη και έγινε μοντελοποίηση της ρόφησης μορίων CO2 και Η2 μέσα στην ανακατασκευασμένη κυψελίδα ως συνάρτηση της θερμοκρασίας, του λόγου Si/Al στον κρύσταλλο, και της σύστασής του σε μη πλεγματικά κατιόντα. Στο τμήμα αυτό έγινε η θεώρηση ότι η δομή μένει αμετάβλητη με την είσοδο των μορίων του αερίου. Στην συνέχεια μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στην θέση των ιόντων, των ατόμων του πλέγματος και στο μέγεθος της μοναδιαίας κυψελίδας, καθώς και η περαιτέρω επίδραση που φέρουν αυτές οι αλλαγές στη ρόφηση. Τα αποτελέσματα της ρόφησης συγκρίθηκαν με πειραματικά δεδομένα. Τέλος, μοντελοποιήθηκε η διάχυση του CO2 μέσα στον φωγιασίτη και υπολογίστηκε ο συντελεστής διαχύσεως σε διάφορες θερμοκρασίες. Τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης συγκρίθηκαν με αντίστοιχα αποτελέσματα από πειραματική μέτρηση του συντελεστή διαχύσεως του αερίου στον φωγιασίτη. Η αναπαράσταση του υλικού και των φαινομένων της ρόφησης έγινε σε ατομιστικό επίπεδο, με την χρήση μεθόδων Monte Carlo, ενώ η μοντελοποίηση της συμπεριφοράς του φωγιασίτη με τις μεταβολές της θερμοκρασίας πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της προσομοιωμένης ανόπτησης. Η διάχυση μοντελοποιήθηκε με την μέθοδο της μοριακής δυναμικής. / -

Τα ιοντικά υγρά (ΙΥ) έχουν κερδίσει το ενδιαφέρον των ερευνητών, λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων τους σε εφαρμογές κατάλυσης, ηλεκτροχημείας, σύνθεσης και αναλυτικής χημείας καθώς και σε μεθόδους διαχωρισμού. Πρόκειται για ιοντικές ενώσεις που αποτελούνται από οργανικά κατιόντα και οργανικά/ανόργανα ανιόντα, τα οποία εμφανίζουν χαμηλό σημείο τήξης Τm<100oC. Η δομή και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ιοντικών υγρών καθορίζουν τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες όπως είναι το χαμηλό σημείο τήξης, το χαμηλό ιξώδες, η χαμηλή τάση ατμών, η υψηλή αγωγιμότητα, η μη αναφλεξιμότητα αλλά και η δυνατότητα ανακύκλωσης. Η κατανόηση των διαμοριακών αλληλεπιδράσεων που λαμβάνουν χώρα σε αυτές τις δομές είναι απαραίτητη για την πρόβλεψη αλλά και τη σχεδίαση των ιδιοτήτων τους. Για να κατανοηθεί η δομή και οι αλληλεπιδράσεις στην υγρή φάση, στην παρούσα εργασία, μελετήθηκαν πρωτονιωμένα ιοντικά υγρά (ΠΙΥ) HCnImNTf2 (n=0-12) καθώς επίσης και τα τήγματα των αλκαλικών αλάτων ΜNTf2 (Μ:Li-Cs). Επίσης παρουσιάζεται o εγκλωβισμός τους σε μικροπορώδη υλικά για εφαρμογή τους σε κελιά καυσίμου. Κύριο χαρακτηριστικό των πρωτονιωμένων ιοντικών υγρών είναι ότι πέραν των ηλεκτροστατικών δυνάμεων που αναπτύσσονται μεταξύ τους, τα ανιόντα και τα κατιόντα συνδέονται και με ισχυρούς δεσμούς υδρογόνου. Στα συστήματα αυτά μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στη δομή τους με χρήση δονητικής φασματοσκοπίας FT-IR και FT-Raman καθώς και με διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης. Από τη συγκεκριμένη μελέτη προέκυψε ότι στα συγκεκριμένα ιοντικά υγρά εμφανίζονται ηλεκτροστατικές και van der Waals αλληλεπιδράσεις, δεσμοί υδρογόνου καθώς και π-π αλληλεπιδράσεις. Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αύξηση της θερμοκρασίας ευνοεί τη cis ισομέρεια του ανιόντος. Αντίθετα, στα τήγματα των αλάτων MNTf2 (Li-Cs) το ανιόν προτιμά την trans διαμόρφωση. Επίσης η μελέτη της επίδρασης του κατιόντος μελετώντας την επίδραση του κατιόντος στη δομή του ανιόντος οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το ανιόν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εσωτερικός δείκτης των αλληλεπιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στα ΙΥ. Κατά τη μελέτη των σύνθετων υλικών βρέθηκε ότι κατά την εισαγωγή του ιοντικού υγρού στους ζεόλιθους λαμβάνει χώρα ιονανταλλαγή μεταξύ του κατιόντος του HMIm+του ΠΙΥ και των κατιόντων Na+του ζεόλιθου. Επίσης, παρουσιάστηκε αύξηση της ιοντικής τους αγωγιμότητας σχεδόν τέσσερις φορές, σε σχέση με την αγωγιμότητα της άνυδρης κατάστασης των κρυστάλλων του ζεόλιθου. / Ionic liquids (ILs) have received considerable attention due to their unique properties in applications in catalysis, electrochemistry, synthesis, analytical chemistry, and separations. They consist of organic cations and organic or inorganic anions and have melting points less than 100oC. Their interesting properties such as low melting points, extremely low vapor pressures, low viscosity, high electrochemical window, no flammability and the ability of being recycled depend on the intermolecular and inter-ionic interactions. Understanding how these interactions are affected by the IL cation alkyl substituents is of paramount importance in order to understand how the IL structure influences macroscopically measured properties and eventually design ILs with desired properties by tailoring their structure. The main interactions of between the PIL ions are Coulombic, van der Waals and hydrogen bonding. In order to understand the effect of these forces to their properties, I examined the effect of alkyl length chain and temperature on the structure of Protic Ionic Liquids (PILs) HCnImNTf2 (n=0-12) using vibrational spectroscopy (FT-Raman and FT-IR/ATR) and differential scanning calorimetry (DSC). A similar study was also carried to the alkali molten salts ANTf2 (A:Li-Cs). Finally the encapsulation of HC1ImNTf2 in zeolites was studied. The goal of this study was to increase the crystal conductivity to level that makes them suitable for PEM fuel cell applications. According to these studies, it was found that the ions interactive long range electrostatic interactions, van der Waals interaction, hydrogen bonds and pi-pi stacking interactions. Moreover, it was found that in PILs the cis conformation of the anion is favored with increasing temperatures, whereas, in case of alkaline molten salts MNTf2 (Li-Cs), trans conformation is dominant in the liquid state. Since the population of the two isomers is affected by the local environment of the anion it was concluded that the anion NTf2- can be used as an indirect mean of the interactions that occur in these systems. Finally, from the encapsulation of protic ionic liquid HMImNTf2 into the porosity of zeolite material, it was found that an ion exchange procedure take place between the cation HMIm+ of the ionic liquid and the cation Na+ of the zeolite. The electric conductivity of the zeolite crystals increased by three times under dry conditions

Submitted by Aelson Maciera (aelsoncm@terra.com.br) on 2017-05-12T18:07:41Z No. of bitstreams: 1 DissILM.pdf: 5724691 bytes, checksum: 47011a82c00569e1418ba50a076d335c (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2017-06-13T12:39:00Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissILM.pdf: 5724691 bytes, checksum: 47011a82c00569e1418ba50a076d335c (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2017-06-13T12:39:09Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissILM.pdf: 5724691 bytes, checksum: 47011a82c00569e1418ba50a076d335c (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-13T12:43:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissILM.pdf: 5724691 bytes, checksum: 47011a82c00569e1418ba50a076d335c (MD5) Previous issue date: 2016-02-15 / Não recebi financiamento / Nanosized NaX zeolites (FAU) (crystallite size = 16 nm; Si/Al ratio = 1,5) were synthesized and modified through ion exchange with linear alkylammonium cations containing from one to six carbons, with the intent to activate basic sites. In this work, commercial microsized zeolites (Aldrich) were also ion exchanged for comparison matters and all samples were characterized. Scanning electron microscopy analysis showed that both micro- and nanosized zeolites containing sodium portray polycrystalline particles: the former presents octahedral habit and particle size of 2952 nm and the latter presents an indefinite habit and particle size of 426 nm. Among the ion exchanged samples, none presented complete exchange of the Na+ cations due to steric hindrance. Nanosized zeolites presented higher exchange degrees than the microsized ones, which is due to higher accessibility to the exchange sites. Such factors also explain the exchange degrees’ reduction with the cations’ chain length, which is less abrupt among the nanosized samples. This happens due to the nanosized samples’ higher interparticular porosity, which has also allowed their micropore volumes’ constant decrease, differently from the microsized samples, which faced a minimum value with butylammonium. When the cations’ length is increased, the unit cell expands in comparison to the zeolites containing sodium since bulkier cations cause variations in the length and angle of the of the O-Si-O and O-Al-O bonds. Through thermogravimetric analysis in oxidant atmosphere, it was observed that the longer the carbon chain length, the lower is the mass loss, which evidences the lower diffusional limitations. The same was observed in inert atmosphere, which indicates that the presence of O2 does not influence the thermal events. Nanosized zeolites illustrate smoother mass loss profiles, which marks smaller diffusional limitations. The zeolitic materials were catalytically evaluated along the Knoevenagel condensation between butyraldehyde and ethyl cyanoacetate (3% m/m catalyst) during 1 h. The nanometric zeolites presented higher conversions and higher reaction rates when t = 0 than the microcrystalline ones, confirming the advantages of nanosized materials. / Zeólitas NaX (FAU) de cristais nanométricos (diâmetro de cristalito de 16 nm; razão molar Si/Al de 1,5) foram sintetizadas e modificadas através de troca iônica com cátions alquilamônio lineares de um a seis carbonos para a ativação de sítios básicos. No trabalho, efetuou-se também a troca iônica com zeólitas de cristais micrométricos (Aldrich) para fins de comparação, caracterizando-se todas as amostras. Por MEV, observou-se que as zeólitas sódicas micro- e nanométricas possuem partículas policristalinas, apresentando as primeiras hábito octaédrico e diâmetro de partícula de 2952 nm e, as últimas, hábito indefinido e diâmetro de 426 nm. Dentre as zeólitas trocadas, nenhuma apresentou troca completa dos cátions Na+ devido a impedimentos estéricos. As zeólitas nanométricas apresentaram graus de troca superiores aos das micrométricas devido à maior acessibilidade aos sítios de troca. Tais fatores também justificam a redução do grau de troca com o aumento do comprimento do cátion de compensação, sendo essa redução muito mais suave entre as amostras nanométricas. Isto ocorre devido à maior porosidade interparticular das zeólitas nanométricas, a qual permitiu que os volumes de microporos dessas zeólitas fossem sempre decrescentes, diferentemente das amostras micrométricas que atingiram um valor mínimo com o cátion butilamônio. Aumentando-se o comprimento do cátion, observa-se a expansão da cela unitária em comparação às zeólitas com cátion sódio pois cátions mais volumosos provocam variações no comprimento e nos ângulos das ligações O-Si-O e O-Al-O. Por análise termogravimétrica em atmosfera oxidante, observou-se que as zeólitas nanométricas exibem perfis de decomposição muito mais suaves, evidenciando as menores limitações difusionais. O mesmo foi observado em atmosfera inerte, indicando que a presença do O2 não influencia os eventos térmicos. Os materiais zeolíticos foram avaliados cataliticamente através da reação de condensação de Knoevenagel entre butiraldeído e cianoacetato de etila (3% m/m de catalisador) por 1 h. As zeólitas nanométricas apresentaram maiores conversões e maiores velocidades de reação no tempo zero que as microcristalinas, confirmando-se as vantagens de materiais com dimensões nanométricas.