Aplicação de catalisadores sólidos ácidos na conversão de xilose a furfural em meio aquoso

Abstract

Furfural é considerado bloco de construção derivado de biomassa e apresenta ampla plataforma química industrial. Sua produção atual utiliza catalisadores ácidos homogêneos como H2SO4 e HNO3, prejudiciais do ponto de vista da Química Verde. Objetivando processos reacionais mais limpos, catalisadores ácidos heterogêneos foram aplicados na conversão de xilose a furfural utilizando somente água como meio reacional. A síntese dos catalisadores baseou-se em modificações da zeólita *BEA e do óxido de cério (céria). Inicialmente, a zeólita passou por desaluminização em estado sólido através do agente desaluminizante (NH4)2SiF6 (remoção de 25% de Al e inserção de 13% de Si), para então ser impregnada com nióbio nas proporções de 10, 18 e 25% em massa. Os catalisadores de céria e de céria-zircônia foram sintetizados por metodologia sol-gel, hidrotérmica e solvotérmica para obtenção de nanoestruturas. Os catalisadores de céria-zircônia foram sintetizados na estequiometria Ce0,8Zr0,2O2. Para formação dos nanobastões (síntese hidrotérmica) utilizou-se o citrato de diamônio ((NH4)2C6H6O7) como direcionador da estrutura e para as nanopartículas (síntese solvotérmica) o ácido oxálico (C2H2O4). Os catalisadores foram caracterizados por FT-IR, RMN com rotação no ângulo mágico de 27Al e 29Si e DRX e tiveram suas propriedades texturais e de acidez determinadas por técnicas de adsorção/dessorção de N2 (g) em baixa temperatura e adsorção de piridina, respectivamente. Os resultados de FT-IR e DRX indicaram que a impregnação ocorreu na forma de pentóxido de nióbio (Nb2O5) na superfície da zeólita *BEA desaluminizada (BD). Nióbio também foi incorporado na estrutura zeolítica comprovado por RMN de 29Si e EDXS. As isotermas de adsorção/dessorção dos catalisadores de zeólita *BEA são do tipo I e IV com histerese H4, enquanto dos catalisadores de óxido misto de céria-zircônia (CZ) nanoparticulados sintetizados pela metodologia sol-gel em pH 10 (CZ(10)), e pela síntese solvotérmica (CZ-NPs), são do tipo V com histerese H1 e H3, respectivamente. As isotermas do óxido misto de céria-zircônia nanobastão, sintetizado com o dobro de citrato de diamônio, de código CZ-NBs-x2, são do tipo II e III. A desaluminização não afetou a cristalinidade da zeólita *BEA, mas o aumento na proporção de Nb2O5 impregnado diminui-a consideravelmente. Entre os catalisadores impregnados com pentóxido de nióbio, o 18% Nb/BD apresentou maior área superficial externa, SEXT (156 m2 g -1 ), melhorando a dispersão de Nb2O5 impregnado. A quantidade de sítios ácidos de Brønsted (n1) e Lewis (n2) nesse catalisador (n1 = 0,24 mmol g−1 e n2 = 0,20 mmol g−1 ) foi semelhante, influenciando positivamente a atividade catalítica. O mesmo catalisador foi ativo e seletivo para a transformação de xilose a 180 °C, mostrando conversão de 64% e rendimento de 33% para furfural (TONfurfural = 25) usando água como solvente verde.