Autores
Suarez Suarez, K.R. (UNIVERSIDAD EL BOSQUE) ; Patiño Pantoja, K.L. (UNIVERSIDA NACIONAL DE COLOMBIA) ; Cortes Ortiz, W.G. (UNIVERSIDAD EL BOSQUE) ; Guerrero Fajardo, C.A. (UNIVERSIDA NACIONAL DE COLOMBIA)
Resumo
Catalizadores de vanadio y tungsteno soportados en óxido de silicio empleando el
método sol-gel asistido por ultrasonido fueron sintetizados. Se emplearon técnicas
como XRD, FT-IR, espectroscopía Raman, reducción a temperatura programada (TPR) y
adsorción-desorción de nitrógeno para caracterizar los catalizadores. Los
catalizadores fueron evaluados en la conversión de xilosa en furfural reconociendo
la influencia de la sonicación y el tipo de centro activo sobre la deshidratación
del azúcar. Los materiales con una carga de 5,0 % en masa de vanadio empleando
agitación mecánica o ultrasonido, convirtieron 78,2 y 90,4 % en mol de xilosa, con
selectividades a furfural de 26,9 y 21,9 % en mol, respectivamente.
Palavras chaves
Xilosa; Furfural; Catálisis Heterogénea
Introdução
El furfural está incluido como uno de los 30 compuestos químicos de interés
comercial obtenido a partir de biomasa. De esta manera, hay un gran número de
reportes que abordan las aplicaciones del furfural y el incremento de la demanda
en diferentes campos. El uso del furfural es muy variado, pero centra particular
atención en las industrias de: i) refinamiento de petróleo, ii) plásticos, iii)
farmacéuticos, iv) agroquímicos y v) alimentos (COUSIN, NAMHAED, et al., 2022,
ZHOU, ZHANG, et al., 2021).
Con base en lo anterior, el furfural es una molécula plataforma de base
biológica que se implementa como precursora de diversos derivados de alto
interés industrial, energético y económico. Sin embargo, una de las aplicaciones
destacadas del furfural es su implementación como solvente selectivo gracias a
su capacidad de conjugación intermolecular que le permite generar fuerzas
intermoleculares con sustancias que presentan dobles enlaces (KABBOUR, LUQUE,
2019, ZEITSCH, 2000). De acuerdo con lo anterior, es posible usar el furfural en
el refinado de aceites lubricantes, retirando compuestos aromáticos y mejorando
la relación viscosidad – temperatura. Igualmente, se implementa también en el
refinado de Diesel, removiendo compuestos aromáticos que desmejoran las
características de ignición del combustible y en el refinado de petróleo y
adhesivos especializados (KABBOUR, LUQUE, 2019). Con base en lo anterior, en el
presente estudio se evalúa la influencia de la sonicación en las propiedades
físicas y morforfológicas de materiales catalíticos de vanadio y tungsteno
sintetizados por el método sol-gel. De la misma manera, los catalizadores fueron
evaluados en la obtención de furfural a partir de xilosa empleando un reactor de
acero inoxidable y atmosfera inerte.
Material e métodos
Para realizar la síntesis de los materiales por el proceso sol-gel se definió
como variables experimentales: i) Carga de 5,0 % en masa de los componentes (es
decir, V o W); y ii) el uso de sonicación durante la síntesis, con el fin de
reconocer la influencia de esta variable en las propiedades físicas y químicas
de los catalizadores, manteniendo constante la temperatura de calcinación (750
ºC). Los materiales catalíticos fueron caracterizados por XRD usando un
difractómetro Panalytical X'Pert Pro MPD con ánodo de Cu de longitud de onda Kα=
1,54060 Å, voltaje 45 kV. . Los espectros infrarrojos (FTIR) se registraron en
un espectrofotómetro Nicolet FTIR iS10, en el rango espectral de 4000– 600 cm-
1.Los espectros Raman se obtuvieron usando el microscopio Thermo Scientific
Raman con excitación de 532 nm de un láser de diodo a través de un objetivo × 10
y nivel de potencia de laser de 8.0 mW. Análisis de reducción a temperatura
programada (TPR) se realizaron empleando un equipo QUANTACHROME modelo 3000
equipado con un detector de conductividad térmica. Se dispusieron 120 mg de la
muestra en polvo previamente tamizada la cual fue desgasificada en corriente de
Ar a 320 ºC durante 1h. La reducción se llevó a cabo con una corriente compuesta
por 10 % v/v H2/Ar a 30 cm3/min bajo una rampa lineal de calentamiento de 10
ºC/min hasta los 1000 ºC. La actividad catalítica de los materiales fue evaluada
en un reactor de acero inoxidable con atmosfera de nitrógeno el cual fue
diseñado y elaborado al interior del grupo de investigación. En un ensayo típico
se colocan 300 mg de xilosa, 100 mL de agua y 100 mg de catalizador al interior
del reactor. El cromatógrafo empleado para la cuantificación del furfural
producido y la xilosa convertida es un Shimadzu prominence i LC 2030.
Resultado e discussão
En la figura 1, se presentan los difractogramas de rayos X de las muestras
preparadas por el método sol-gel. En los materiales preparados sin carga de
metal se identifica un pico ancho a 2Ɵ = 22,18 ° el cual es asignado a la sílice
amorfa (ADAM, IQBAL, 2011, CORTÉS ORTIZ, BAENA NOVOA, et al., 2019, GUERRERO
FAJARDO, N’GUYEN, et al., 2006). El pico de la sílice se ve un poco más intenso
y delgado en la muestra agitada de manera mecánica (SiO2) con respecto agitada
por sonicación.En cuanto a los materiales con vanadio con y sin sonicación
(V/SiO2 y V/SiO2-Son), además de la banda ancha asociada a la sílice amorfa,
presentaron dos pico alrededor de 2Ɵ = 26 y 50° atribuido al V2O5 (JCPDS: 00-09-
0387) (RUIZ-RODRÍGUEZ, BLASCO, et al., 2018, SORIANO, VIDAL-MOYA, et al., 2016).
Finalmente, los materiales con tungsteno presenta una serie de picos alrededor
de 2Ɵ = 23, y 24° atribuidos a los óxidos formados (WIESFELD, GAQUERE, et al.,
2019). En el espectro Raman de las muestras se identifican bandas asociadas a
especies de vanadio tipo V2O5 a 700, 526, 406, 283 y 143 cm-1 (BASU, PRASAD, et
al., 2016, WEI, NAM, et al., 2005). En cuanto a la selectividad a furfural se
destaca que los valores más altos se observan cuando el centro activo es vanadio
26,87 y 21,93 % en mol. Al respecto, se puede afirmar que los catalizadores
cuentan con sitios ácidos de Lewis procedentes del metal de transición y sitios
que actúan cómo ácidos de Brönsted procedentes de los grupos silanol (Si-OH) del
soporte (LI, LU, et al., 2020). De esta manera, el mecanismo de reacción general
puede direccionarse en dos etapas: i) Los sitios ácidos de Lewis interviene en
la isomerización de xilosa a xilulosa y ii) los sitios ácidos de Brönsted
interviene en la deshidratación de la xilulosa hasta furfural
En la figura 1, se presentan los difractogramas de rayos X de las muestras preparadas por el método sol-gel
Los resultados de actividad de los materiales catalíticos de vanadio y tungsteno se presentan en la figura 2
Conclusões
Se evidencia que el uso de ultrasonido modifica la organización molecular que se
genere en los materiales catalíticos lo cual se comprueba por los resultados de
caracterización.
Los materiales de vanadio soportado en óxido de silicio presentan mayor
selectividad hacia furfural. Lo anterior se atribuye a la multifuncionalidad que
presentan los catalizadores. El vanadio actúa cómo ácido de Lewis generando la
isomerización de la xilosa a xilulosa y los grupos silanol del soporte actúan cómo
ácidos de Brönsted promoviendo la deshidratación del monosacárido y formación de
furfural.
Agradecimentos
Los autores agradecen al Departamento de Química de la Universidad Nacional de
Colombia y al Departamento de Química y Programa de Química Farmacéutica de la
Universidad El Bosque.
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