Desenvolvimento de catalisadores heterogêneos para a geração de isossorbida a partir da celulose

Abstract

A conversão da biomassa em produtos químicos e combustíveis renováveis tem recebido uma atenção significativa como um meio para a sociedade sustentável. A biomassa mais abundante é a celulose, e sua conversão em produtos químicos finos é uma questão importante e um grande desafio nos campos de pesquisa de energia e meio ambiente. Muitos estudos relativos à conversão catalítica direta de celulose em produtos de química fina estão sendo desenvolvidos. Um intermediário importante desta síntese é a isossorbida, que tem aplicação ampla em produtos farmacêuticos, produtos químicos, polímeros e em biocombustíveis. Sua produção industrial ocorre pela desidratação de sorbitol usando um catalisador ácido forte. Entre os catalisadores heterogêneos, os catalisadores metálicos suportados têm sido apontados como uma escolha atraente para promoverem a transformação da celulose devido à sua atividade e estabilidade. O objetivo principal deste trabalho foi a obtenção da isossorbida a partir da conversão da celulose, utilizando catalisadores à base de Rutênio suportado em carvão ativado, funcionalizado. Foram preparados carvões e carvões ativados quimicamente (agentes ativantes ZnCl₂ e HNO₃) oriundos do bagaço de cana-de-açúcar do processo de etanol de segunda geração. Carvões estes denominados de CBᴢₙ, CBʜɴᴏ₃, CB e CC (carvão comercial). Os catalisadores de Ru e Pd suportados em carvões ativados foram preparados por impregnação úmida, de forma a se obter um teor metálico de 5%. Na caracterização desses materiais foram utilizadas as técnicas como análise imediata, análise elementar, espectroscopia de fluorescência de raios-X por dispersão de energia (FRX-EDS), difração de raios X (DRX), medida de área superficial por adsorção de N₂ (BET), microscopia eletrônico de varredura (MEV), espectroscopia de infravermelho de transformada de Fourier (FTIR), análise termogravimétrica (ATG), determinação do pH do ponto de carga zero (pHᴘᴄᴢ). Os produtos obtidos foram quantificados por cromatografia líquida de alta eficiência. Foram estudadas transformações da celulose a isossorbida com 4 catalisadores: Ru/CC, Ru/CBᴢₙ, Pd/CC e Pd/CBᴢₙ. Condições experimentais: reator Parr sob pressão de H2 (3,5 MPa), massa de catalisador de 0,2 g, temperatura de 235°C, pH 4,5 do meio reacional, agitação de 500 rpm e tempo de reação de 6 horas; massa de celulose de 2 g em 200 mL de água deionizada. Resultados de EDXFR indicaram incorporação de 4,5% e 4,3% para Ru/CC e Ru/CBᴢₙ, 5,2% e 4,6% para Pd/CC e Pd/CBᴢₙ, a caracterização estrutural demostrou que não houve mudanças significativas em suas estruturas. O carvão ativado com zinco apresentou uma acidez favorável abaixo do pH 5. As avaliações cinéticas evidenciaram uma conversão da celulose acima de 70%, com rendimentos máximos em isossorbida de 30, 25, 15 e 20% e seletividade máxima em isossorbida de 40, 33, 20 e 19% para os catalisadores Ru/CC, Ru/CBᴢₙ, Pd/CC e Pd/CBᴢₙ, respectivamente. À cinética de reação foram aplicados os modelos cinéticos pseudo-homogênio e Langmuir-Hinshelwood, e foi evidenciado um bom ajuste para ambos os modelos, os quais descreveram bem os dados experimentais. O trabalho demonstrou uma perspectiva promissora de conversão da celulose para geração de produtos químicos finos, como a isossorbida.