Obtención de compuestos químicos de alto valor añadido a partir de residuos lignocelulósicos mediante reacciones de transferencia de hidrógeno
- Autores: Alba María García Minguillán García
- Directores de la Tesis: José María Escola Saéz (dir. tes.), Juan Ángel Botas Echevarría (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Rey Juan Carlos ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Materias:
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- Resumen
Una de las alternativas más prometedoras para la obtención de biocombustibles y productos químicos de elevado valor añadido a partir de biomasa lignocelulósica es la pirólisis. Mediante este proceso de descomposición térmica de la materia prima a elevadas temperaturas y en ausencia de oxígeno, se obtiene una fracción líquida (denominada bio-oil) cuyas características impiden su uso directo como combustible o materia prima química y hacen necesario llevar a cabo procesos de mejora enfocados a disminuir la cantidad de oxígeno e incrementar la relación H/C. Así, dentro de los métodos de valorización, aparece el proceso de hidrodesoxigenación catalítica como una de las rutas más estudiadas en los últimos años. Esta reacción tiene lugar a elevadas presiones de hidrógeno (> 25 bar) y temperaturas comprendidas entre 200–350 ºC, utilizando catalizadores con fases activas metálicas y soportes de elevada superficie específica.
Con objeto de llevar a cabo este proceso empleando condiciones de presión y temperaturas moderadas para disminuir costes y riesgos de seguridad, el presente trabajo de investigación se centra en el desarrollo de una ruta de valorización mediante reacciones de transferencia de hidrógeno, utilizando fenol como molécula representativa de esta familia de compuestos contenidos en el bio-oil, procedente de la pirólisis térmica de la biomasa lignocelulósica, y un alcohol secundario (2-propanol) como disolvente donador de hidrógeno. Este tratamiento requiere: (i) la presencia de un catalizador metálico con actividad hidrogenante / deshidrogenante en cuya superficie, donde se encuentran los centros activos, se llevarán a cabo las reacciones de transferencia de hidrógeno; y (ii) la existencia de un catalizador ácido para promover las reacciones de deshidratación y alquilación. De esta forma, el producto final deseado es un compuesto aromático o nafténico, mientras que el oxígeno se elimina en forma de agua.
El Níquel Raney es un catalizador metálico de elevada área superficial y pequeño tamaño de partícula, cuya estructura porosa le confiere la capacidad de catalizar reacciones de transferencia de hidrógeno siendo más económico que otros metales nobles como el paladio, el platino o el rutenio.
En cuanto a los catalizadores ácidos, se han estudiado materiales microporosos (zeolitas con estructura BEA y MFI) y mesoporosos (material mesoestructurado Al-SBA-15). El principal problema asociado al empleo de zeolitas convencionales es el pequeño tamaño de los canales que impide el acceso de las moléculas voluminosas a los centros activos situados en su interior. Los materiales zeolíticos de porosidad jerarquizada presentan una mesoporosidad adicional a los microporos que reduce las limitaciones difusionales, incrementando el número de centros activos disponibles, lo que maximiza la actividad del material en la reacción catalítica. Los materiales mesoestructurados presentan elevada superficie específica, tamaños de poros uniformes y diferente tipo de acidez que las zeolitas, lo que conduce a diferentes distribuciones de productos.
En vista de todos los resultados obtenidos con los diferentes sistemas catalíticos estudiados, se aprecia cómo la presencia de porosidad adicional tiene un efecto significativo sobre la selectividad de los productos alcanzados, mejorando la accesibilidad a los centros activos del catalizador ácido y disminuyendo las restricciones en la difusión de los reactivos y productos. La mesoporosidad intraparticular es la encargada de promover la formación de cada una de las moléculas en función de su volumen y de las propiedades texturales que posea la zeolita del sistema catalítico.
Las distribuciones de productos logradas con el sistema tándem Níquel Raney + catalizador ácido difieren sensiblemente de los resultados obtenidos cuando el catalizador Níquel Raney no está presente en el sistema catalítico. Este hecho demuestra que en las reacciones de transformación de fenol utilizando 2-propanol coexisten dos vías de reacción diferentes. En la primera de ellas, el 2-propanol actúa como agente de transferencia de hidrógeno y conduce a la formación de hidrocarburos gracias a la acción del Níquel Raney. En la segunda, el 2-propanol puede actuar como agente alquilante para obtener productos fenólicos gracias a la acción del catalizador ácido. Así, en el sistema tándem formado por un catalizador metálico y un catalizador ácido, el catalizador metálico es el encargado de promover las reacciones de hidrogenación, deshidrogenación e hidrogenólisis, mientras que el catalizador ácido tiene la capacidad de llevar a cabo las reacciones de deshidratación, alquilación, isomerización y craqueo.
