Orientador: Raphael Soeiro Suppino

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: O estudo de catalisadores suportados para uso em reações químicas de conversão do furfural, molécula plataforma proveniente da biomassa, abre caminho para o desenvolvimento de novos processos inseridos no conceito de biorrefinarias. O álcool furfurílico, produto da hidrogenação do furfural,...

Resumo: O estudo de catalisadores suportados para uso em reações químicas de conversão do furfural, molécula plataforma proveniente da biomassa, abre caminho para o desenvolvimento de novos processos inseridos no conceito de biorrefinarias. O álcool furfurílico, produto da hidrogenação do furfural, possui importantes aplicações industriais, sobretudo na fabricação de resinas. Metais nobres e básicos podem compor a fase ativa do catalisador, dentre os quais foram escolhidos Ni, Cu, Pd e Ru para esta pesquisa. A escolha da nióbia (Nb2O5) como suporte se dá por suas propriedades químicas e estruturais, notadamente sua acidez natural e área superficial específica, além de apresentar elevada disponibilidade em território nacional. Portanto, este trabalho teve como objetivo avaliar o desempenho de catalisadores de metais suportados em Nb2O5 na hidrogenação de furfural a álcool furfurílico em fase líquida. Os catalisadores foram sintetizados por impregnação úmida, com prévia calcinação do suporte. O teor metálico do catalisador de Ni foi variado entre 5 e 20%. Metais básicos (Ni e Cu) foram reduzidos sob fluxo de H2 e metais nobres (Pd e Ru) foram reduzidos utilizando-se formaldeído em sua preparação. As reações foram conduzidas em um reator Parr do tipo slurry, sob pressão de H2 de 5 MPa, temperatura de 150°C e 2-propanol foi utilizado como solvente. Com o intuito de correlacionar os resultados obtidos com as propriedades físico-químicas dos materiais, o suporte e os catalisadores foram caracterizados por fisissorção de N2, EDS, DRX, TPR, TPD-NH3 e XPS. A temperatura de calcinação do suporte permitiu a síntese de materiais não-cristalinos e com alta área superficial específica. Há indícios de que a redução por formaldeído evitou o agregamento de partículas nos metais nobres, enquanto a exposição ao fluxo de H2 permitiu um elevado grau de redução para metais básicos. A elevação do teor metálico em catalisadores de Ni intensificou o bloqueio dos poros, principalmente no sólido 15% Ni/Nb2O5, mas de modo geral contribuiu para o aumento da atividade catalítica. Catalisadores de Ni e Cu apresentaram alta seletividade a álcool furfurílico, porém o sólido Cu/Nb2O5 apresentou uma conversão de furfural de apenas 15% devido à perda de sítios ativos na superfície. Catalisadores de Pd e Ru forneceram altas taxas iniciais de reação e possibilitaram a conversão completa do furfural, porém enquanto Pd/Nb2O5 apresentou seletividade crescente a álcool tetraidrofurfurílico, Ru/Nb2O5 possibilitou a formação de álcool furfurílico nas primeiras 2 horas de reação. A presença de sítios ácidos na superfície catalítica favoreceu a formação de subprodutos, especialmente éter difurfurílico

Abstract: The study of supported catalysts applied in chemical reactions for the conversion of furfural, a platform molecule obtained from biomass, enables the development of new processes inserted in the concept of biorefineries. Furfuryl alcohol, a furfural hydrogenation product, has important...

Abstract: The study of supported catalysts applied in chemical reactions for the conversion of furfural, a platform molecule obtained from biomass, enables the development of new processes inserted in the concept of biorefineries. Furfuryl alcohol, a furfural hydrogenation product, has important industrial applications, especially in the manufacturing of resins. Noble and base metals may constitute the active phase of the catalyst, of which Ni, Cu, Pd and Ru have been chosen for this research. The choice of niobia (Nb2O5) as support is due to its chemical and structural properties, especially its natural acidity and specific surface area, besides being highly available in national territory. Therefore, this research aimed to evaluate the performance of metal catalysts supported on Nb2O5 in the hydrogenation of furfural to furfuryl alcohol in liquid phase. The catalysts were synthesized by wet impregnation, with prior calcination of the support. The metal loading of the Ni catalyst was varied between 5 and 20 wt%. Base metals (Ni and Cu) were reduced under H2 flow and noble metals (Pd and Ru) were reduced using formaldehyde in their preparation. The reactions were conducted in a slurry Parr reactor under H2 pressure of 5 MPa, temperature of 150°C and 2-propanol was used as solvent. In order to correlate the obtained results with the physicochemical properties of the materials, support and catalysts were characterized by N2 physisorption, EDS, XRD, TPR, TPD-NH3 and XPS. The calcination temperature of the support allowed the synthesis of non-crystalline materials with high specific surface area. There are indications that the reduction by formaldehyde prevented particle aggregation in noble metals, while the exposure to H2 flow allowed a high degree of reduction for base metals. The increase of metal loading on Ni catalysts intensified pore blockage, mainly in the solid 15% Ni/Nb2O5, but in general it contributed to an increase in catalytic activity. Ni and Cu catalysts showed high selectivity to furfuryl alcohol, however the solid Cu/Nb2O5 presented a furfural conversion of only 15% due to the loss of active sites on the surface. Pd and Ru catalysts provided high initial reaction rates and enabled complete furfural conversion, but while Pd/Nb2O5 showed increasing selectivity to tetrahydrofurfuryl alcohol, Ru/Nb2O5 enabled the formation of furfuryl alcohol in the first 2 hours of reaction. The presence of acid sites on the catalytic surface favored the formation of by-products, especially difurfuryl ether

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