Estudo da otimização do processo de hidrogenação catalítica do ácido fumárico
dc.contributor.advisor | Courtial, Camila Gambini Pereira | |
dc.contributor.advisor-co1 | Gomes, Pedro Miguel Vidinha | |
dc.contributor.advisorID | https://orcid.org/0000-0003-2472-9755 | pt_BR |
dc.contributor.advisorLattes | http://lattes.cnpq.br/8055289812908100 | pt_BR |
dc.contributor.author | Figueredo, Adolfo Lopes de | |
dc.contributor.authorID | https://orcid.org/0000-0002-2685-2223 | pt_BR |
dc.contributor.authorLattes | http://lattes.cnpq.br/2681922036812736 | pt_BR |
dc.contributor.referees1 | Braga, Tiago Pinheiro | |
dc.contributor.referees2 | Lopes, Francisco Wendell Bezerra | |
dc.contributor.referees3 | Garcia, Marco Aurélio Suller | |
dc.contributor.referees4 | Moura, Maria Carlenise Paiva de Alencar | |
dc.date.accessioned | 2024-05-15T15:32:44Z | |
dc.date.available | 2024-05-15T15:32:44Z | |
dc.date.issued | 2022-03-25 | |
dc.description.abstract | The selective production of valuable products for the chemical industry such, as γ-butyrolactone (GBL), tetrahydrofuran (THF) and 1,4-butanediol (BDO) that results from the catalytic hydrogenation of fumaric acid (Ac.FUM) is a quite interesting subject in the field of biomass valorization. In fact, these products can be considered bioplatforms of molecular construction, functioning as a starting point for countless synthesis processes. From the point of view of green chemistry, water and CO2 are considered ideal solvents to drive this type of chemical transformation. Although achieving good conversion rates and selectivity in these reaction media, the catalytic performance of this hydrogenation reaction can be a challenge, even when a suitable catalyst is employed. In this context, this process was studied and optimized, firstly through experimental design using a palladium-rhenium silica-supported catalyst (Pd-Re/SiO2), and a iridium-rhenium silica-supported catalyst (Ir -Re/SiO2), as second choice, barely used in the literature for selective hydrogenation of Ac.FUM in GBL an aqueous medium. The catalysts were synthesized by sequential wet impregnation, and characterized by XRD, RTP, ICP, TEM, surface area and pore volume analysis. Reaction products were identified by GC-FID and HPLC-RI. In a second moment, supercritical CO2 was used as a reaction medium to optimize the process, varying pressure between 105-300 bar under 60-250 ºC. Finally, solvent evaluation was studied in the reaction selectivity, where methanol was also used under 60-250 ºC and 10-300 bar. The catalysts showed metal percentage of 3 % for Pd and Ir, and 6 % for Re, with a surface area of 257 and 219 m2gcat-1, pore volume of 1.31 and 1.20 cm3gcat-1 and average particle size of 2 and 1.5 nm, for Pd-Re and Ir-Re, respectively. TPR, DRX and TEM analyzes suggest that the metals are in close contact, with interaction between them. The results of Ac.FUM hydrogenation using catalysts based on palladium-rhenium and iridium-rhenium showed that GBL was produced with 91 and 90% selectivity, respectively, under the optimized conditions of pressure and temperature predicted by the empirical model of 188 °C and 41 bar of H2 for Pd-Re/SiO2 and 210 °C and 25 bar of H2 for Ir-Re/SiO2. Thus, the experimental design allowed a high selectivity to be obtained in an aqueous medium, providing better rationalization of the combined effect of the temperature and pressure variables. Furthermore, statistical analysis in experimental design showed that temperature has more signifcant effect on GBL selectivity concerning H2 pressure, being non-linear for both catalysts. In studies using supercritical CO2, it was possible to model the catalytic activity, suppressing the formation of by-products and obtaining 89 % and 64% selectivity for GBL using PdRe/SiO2 and Ir-Re/SiO2, respectively, under optimized operating conditions. The addition of methanol as solvent changed the composition of products, obtaining THF as the major product, with a maximum selectivity of 97 % under the conditions of 175 °C, 50 bar of H2 and 150 bar of total pressure for Pd-Re/SiO2, and 89 % under conditions of 175 °C, 50 bar H2 and 300 bar total pressure for Ir-Re/SiO2. | pt_BR |
dc.description.resumo | A produção seletiva de produtos do interesse da indústria química como γbutirolactona (GBL), tetrahidrofurano (THF) e 1,4-butanodiol (BDO) a partir da hidrogenação catalítica do ácido fumárico (Ac.FUM) é uma reação interessante no domínio da valorização da biomassa, uma vez que estes produtos podem ser considerados bioplataformas de construção molecular, funcionado como ponto de partida para inúmeros processos de síntese. Do ponto de vista da química verde, água e CO2 seriam solventes ideais, embora alcançar boas taxas de conversão e seletividade nesses meios reacionais possa ser um desafio para essa reação de hidrogenação, mesmo quando um catalisador adequado é empregado. Neste contexto, esse processo foi estudado e otimizado, primeiramente através de planejamento fatorial utilizando um catalisador a base de paládio-rênio em sílica (Pd-Re/SiO2), e um segundo catalisador a base de irídiorênio em sílica (Ir-Re/SiO2), pouco utilizado na literatura, para hidrogenação seletiva em meio aquoso de Ac.FUM em GBL. Os catalisadores foram sintetizados por impregnação úmida sequencial, e caracterizados por técnicas de DRX, TPR, ICP, TEM e análise de área superficial e volume de poros. Os produtos das reações foram identificados por GCFID e HPLC-RI. Em um segundo momento, CO2 supercrítico foi empregado como meio reacional para otimização do processo, variando a pressão entre 105-300 bar, nas condições de temperatura de 60-250 ºC. Por fim, o solvente foi avaliado considerando a seletividade da reação, onde metanol também foi utilizado nas condições 60-250 ºC e 10300 bar. Os catalisadores apresentaram porcentagem de metal de 3 % para Pd e Ir e 6 % para Re, com área superficial de 257 e 219 m2gcat-1, volume de poros de 1,31 e 1,20 cm3gcat-1 e tamanho médio das partículas de 2 e 1,5 nm, para Pd-Re e Ir-Re, respectivamente. As análises de TPR, DRX e TEM sugerem que os metais estão em contato próximo, havendo interação entre eles. Os resultados da hidrogenação do Ac.FUM utilizando os catalisadores Pd-Re/SiO2 e Ir-Re/SiO2 mostraram que GBL foi produzida com 91 e 90 % de seletividade, respectivamente, nas condições otimizadas de pressão e temperatura, previstas pelo modelo empírico, de 188 °C e 41 bar de H2 para PdRe/SiO2 e 210 °C e 25 bar de H2 para Ir-Re/SiO2. Assim, o delineamento experimental permitiu que uma alta seletividade fosse obtida em meio aquoso, proporcionando melhor racionalização do efeito combinado das variáveis temperatura e pressão. Além disso, a análise estatística no planejamento fatorial mostrou que a temperatura apresenta um maior efeito sob a seletividade da GBL em relação a pressão de H2, sendo não linear, para ambos os catalisadores. Nos estudos utilizando CO2 supercrítico foi possível modelar a atividade catalítica, suprimindo a formação de subprodutos e obtendo 89 % e 64 % de seletividade para GBL utilizando Pd-Re/SiO2 e Ir-Re/SiO2, respectivamente, nas condições de operação otimizadas. A adição do metanol como solvente promoveu alteração na composição dos produtos, obtendo THF como produto majoritário, com seletividade máxima de 97 % nas condições de 175 °C, 50 bar de H2 e 150 bar de pressão total para Pd-Re/SiO2, e 89 % nas condições de 175 °C, 50 bar de H2 e 300 bar de pressão total para Ir-Re/SiO2. | pt_BR |
dc.description.sponsorship | Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES | pt_BR |
dc.identifier.citation | FIGUEREDO, Adolfo Lopes de. Estudo da otimização do processo de hidrogenação catalítica do ácido fumárico. Orientadora: Dra. Camila Gambini Pereira. 2022. 148f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2022. | pt_BR |
dc.identifier.uri | https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/58341 | |
dc.language | pt_BR | pt_BR |
dc.publisher | Universidade Federal do Rio Grande do Norte | pt_BR |
dc.publisher.country | Brasil | pt_BR |
dc.publisher.initials | UFRN | pt_BR |
dc.publisher.program | PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA | pt_BR |
dc.rights | Acesso Aberto | pt_BR |
dc.subject | Ácido fumárico | pt_BR |
dc.subject | Química sustentável | pt_BR |
dc.subject | Planejamento fatorial | pt_BR |
dc.subject | Paládio-rênio | pt_BR |
dc.subject | Irídio-rênio | pt_BR |
dc.subject.cnpq | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA | pt_BR |
dc.title | Estudo da otimização do processo de hidrogenação catalítica do ácido fumárico | pt_BR |
dc.title.alternative | Optimization study of the catalytic hydrogenation process of fumaric acid | pt_BR |
dc.type | doctoralThesis | pt_BR |
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