Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/44556
ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-4302-3056
Tipo do documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso Aberto
Título: Síntese e caracterização de carvões ativados sulfonados obtidos de bagaço de cana-de-açúcar para conversão de xilose em furfural em meio aquoso
Título(s) alternativo(s): Synthesis and characterization of sulfonated activated carbons obtained from sugarcane bagasse for the conversion of xylose into furfural in aqueous medium
Autor(es): Silva, Thiago Alves Lopes
Primeiro orientador: Pasquini, Daniel
Primeiro coorientador: Silva, Adilson Candido da
Primeiro membro da banca: Aud, Bárbara Nascimento
Segundo membro da banca: Amaral, Fábio Augusto do
Terceiro membro da banca: Brienzo, Michel
Quarto membro da banca: Assunção, Rosana Maria Nascimento de
Resumo: O furfural é um dos compostos que podem ser sintetizados a partir dos monossacarídeos hemicelulósicos, sendo este considerado uma molécula plataforma devido a possibilidade de ser convertido em outros químicos. Diante da busca pelo desenvolvimento de tecnologias e processos que convertam resíduos lignocelulósicos de forma verde e sustentável em biocombustíveis e produtos químicos de valor agregado, o presente trabalho objetivou produzir carvões ativados sulfonados (CA-S) a partir do bagaço de cana-de-açúcar para aplicação como catalisadores heterogêneos na reação de desidratação de xilose para produção de furfural em meio aquoso. Os carvões ativados (CAs) foram produzidos utilizando bagaço de cana-de-açúcar impregnado com solução aquosa ZnCl2, NiCl2 e CuCl2 e carbonizado a 550 ºC por 3 h sob fluxo de nitrogênio. O processo de sulfonação foi realizado com ácido sulfúrico (98%), razão massa/volume de 1:10, temperatura reacional na faixa de 103 - 217 ºC e tempo reacional de 70 – 410 minutos. A avaliação da atividade catalítica dos CAs antes e após sulfonação foi realizada com um percentual mássico de catalisador/xilose correspondente a 10%, temperatura variando de 128 a 212 ºC e tempos reacionais entre 11 e 139 minutos. Os catalisadores foram caracterizados por adsorção física de nitrogênio (BET e BJH), espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de varredura (MEV) acoplada com espectroscopia de energia dispersiva por Raios-X (EDS), análise elementar, difração de Raios-X (DRX), análise termogravimétrica (TGA) e acidez total (AT). As propriedades texturais determinadas pelos métodos BET e BJH mostraram que os carvões ativados com ZnCl2 são classificados como um material microporoso e apresentam elevadas áreas superficiais (971 m2 g-1), enquanto os CA produzidos com NiCl2 e CuCl2 possuem menores SBET e são materiais mesoporosos. Após o processo de sulfonação todos os catalisadores apresentaram um aumento no teor de enxofre devido a incorporação de grupos sulfônicos (SO3H) na matriz carbônica. A análise de DRX mostrou que os CAs possuem uma estrutura amorfa. As análises MEV-EDS e Raman evidenciaram que o processo de sulfonação não causou alterações estruturais significativas nos CAs. As melhores condições experimentais obtidas no delineamento do composto central rotacional (DCCR) 22 para a maximização da acidez total (AT) do CA-S/ZnCl2 e CA-S/CuCl2 ocorreram na temperatura de 217 ºC e tempo de 240 minutos, entretanto para o CA-S/NiCl2 a melhor AT foi alcançada em 120 ºC e 120 minutos. Já as condições experimentais obtidas no DCCR 22 para conversão xilose, rendimento e seletividade ao furfural, para todos os catalisadores sulfonados foram obtidas em 200 ºC e 120 minutos. Dentre os catalisadores ácidos sintetizados o CA-S/CuCl2 apresentou maior rendimento e seletividade de produção de furfural (57,03% e 62,97%), evidenciando assim que a melhor atividade catalítica desse sólido ácido, provavelmente, está relacionada à associação de uma pequena quantidade de sítios ácidos de Lewis (Cu0) com os sítios ácidos de Brönsted (-SO3H). Por fim, cabe elucidar que até onde sabemos este trabalho consiste na primeira abordagem relatada na literatura que sintetizou AC-S sem realizar a etapa de lixiviação do agente ativante antes da funcionalização com H2SO4, permitindo assim a obtenção em uma única etapa de catalisadores com sítios ácidos de Lewis e Brönsted. Os rendimentos e a seletividade obtidos com o CA-S/CuCl2 são superiores aos de diferentes catalisadores ácidos reportados na literatura, tornando-o uma alternativa promissora para a produção de furfural em meio aquoso.
Abstract: Furfural is one of the compounds that can be synthesized from hemicellulosic monosaccharides, and it is considered a platform molecule due to its potential for conversion into other chemicals. In the quest for developing technologies and processes that convert lignocellulosic residues in a green and sustainable manner into biofuels and high-value chemicals, the present study aimed to produce sulfonated activated carbons (AC-S) from sugarcane bagasse for application as heterogeneous catalysts in the dehydration reaction of xylose for furfural production in an aqueous medium. Activated carbons (Acs) were synthesized from sugarcane bagasse impregnated with ZnCl2, NiCl2, or CuCl2 and carbonized at 550°C for 3 hours under nitrogen flow. The sulfonation process was carried out with sulfuric acid (98%), a mass/volume ratio of 1:10, a reaction temperature ranging from 103 to 217 °C, and a reaction time of 70 to 410 minutes. The catalytic activity of the ACs before and after sulfonation was evaluated with a catalyst/xylose mass percentage of 10%, temperature ranging from 128 to 212 °C, and reaction times from 11 to 139 minutes. The catalysts were characterized by nitrogen physical adsorption (BET and BJH), Raman spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM) coupled with energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), elemental analysis, X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric analysis (TGA), and total acidity (TA). The textural properties determined by BET and BJH methods showed that the activated carbons with ZnCl2 are classified as microporous materials with high surface areas (971 m2 g-1), while the ACs produced with NiCl2 and CuCl2 have lower SBET and are mesoporous materials. After the sulfonation process, all catalysts showed increased sulfur content due to incorporating sulfonic groups (SO3H) into the carbon matrix. DRX analysis revealed that the ACs possess an amorphous structure. SEM-EDS and Raman's analyses indicated that the sulfonation process did not cause significant structural changes in the ACs. The best experimental conditions determined in the central composite rotational design (CCRD) for maximizing the total acidity (TA) of CA-S/ZnCl2 and CA-S/CuCl2 occurred at a temperature of 217 ºC and a time of 240 minutes; however, for CA-S/NiCl2, the best TA was achieved at 120 °C and 120 minutes. The experimental conditions obtained in the CCRD for xylose conversion, furfural yield, and selectivity to furfural, for all sulfonated catalysts, were obtained at 200 °C and 120 minutes. Among the synthesized acidic catalysts, the CA-S/CuCl2 exhibited the highest furfural yield and selectivity (57.03% and 62.97%, respectively), highlighting that the best catalytic activity of this acid solid is likely related to the combination of a small amount of Lewis acid sites (Cu0) with Brönsted acid sites (-SO3H). Finally, it is important to highlight that, to the best of our knowledge, this work represents the first reported approach in the literature to synthesize AC-S without the leaching step of the activating agent before functionalization with H2SO4, thereby enabling the acquisition of catalysts with both Lewis and Brönsted acid sites in a single step. The yields and selectivity obtained with CA-S/CuCl2 are higher than those of various acidic catalysts reported in the literature, making it a promising alternative for furfural production in an aqueous medium.
Palavras-chave: Carvão ativado
Activated carbon
Catálise Heterogênea
Heterogeneous Catalysis
Sulfonação
Sulfonation
Xilose
Xylose
Furfural
Furfural
Área(s) do CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICA::CINETICA QUIMICA E CATALISE
CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS::BIOQUIMICA::QUIMICA DE MACROMOLECULAS
Assunto: Biocombustível
Idioma: por
País: Brasil
Editora: Universidade Federal de Uberlândia
Programa: Programa de Pós-graduação em Biocombustíveis
Referência: SILVA, Thiago Alves Lopes. Síntese e caracterização de carvões ativados sulfonados obtidos de bagaço de cana-de-açúcar para conversão de xilose em furfural em meio aquoso. 2025. 117 f. Tese (Doutorado em Biocombustíveis) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.1.
Identificador do documento: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.1
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/44556
Data de defesa: 7-Jun-2024
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS): ODS::ODS 7. Energia limpa e acessível - Garantir acesso à energia barata, confiável, sustentável e renovável para todos.
ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação.
ODS::ODS 12. Consumo e produção responsáveis - Assegurar padrões de produção e de consumo sustentáveis.
ODS::ODS 13. Ação contra a mudança global do clima - Tomar medidas urgentes para combater a mudança climática e seus impactos.
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