Valorización de biomasa lignocelulósica mediante el uso de catalizadores basados en arcillas

Abstract

A la societat actual hi ha una forta dependència dels productes derivats de combustibles fòssils i és convenient reduir aquesta dependència de cara al futur de la societat. D'altra banda, a l'àrea de Tarragona hi ha presència d'indústria agroalimentària relacionada amb els fruits secs, amb la consegüent producció de residus lignocel·lulòsics, com les closques d'ametlles que es podrien revaloritzar per obtenir compostos químics amb les mateixes funcions que tenen avui dia. els derivats del petroli. El principal objectiu de la tesi és aportar valor afegit a la biomassa de proximitat, en concret a la closca d'ametlla de les comarques de Tarragona, mitjançant el seu fraccionament i posterior transformació en productes de valor afegit, com el furfural, el tetrahidrofurfuril alcohol, el 5-hidroximetilfurfural i la preparació de barreges bituminoses, utilitzant catalitzadors de baix cost econòmic, basats en les argiles. En aquesta tesi s'han preparat, modificat les propietats àcides i caracteritzat diferents argiles com a hectorites mesoporoses deslaminades, fluorohectorites (en un nou mètode de síntesi) o montmorillonita K10 comercial que posteriorment han estat utilitzats com a suports catalítics i com a catalitzadors àcids en les diferents reaccions plantejades . S'han optimitzat les condicions de reacció a cada cas. Els millors rendiments de furfural a partir de l'extracte de xilosa procedent de biomassa s'han aconseguit amb l'hectorita deslaminada protonada arribant a un 90%, a 160 ºC microones i 4 h de reacció. La major selectivitat a 5-hidroximetilfurfural (62 %) a partir de glucosa es va aconseguir amb una barreja de 44 % en pes Amberlyst-15 i 56 % en pes de montmorillonita K10 amb un 56 % de conversió a 140 ºC en autoclau i 4 h de reacció. El rendiment més gran a THFA a partir de furfural obtingut a partir de l'extracte de xilosa de biomassa s'ha aconseguit amb un catalitzador de Ni-Cu/hectorita mesoporosa preparat amb una relació molar de Ni: Cu 1: 1 amb un 90%, a la fase de toluè, i un 80% en la fase aquosa. Finalment, s'han utilitzat lignines obtingudes a partir de les closques d'ametlles com a substituts parcials del betum en la preparació de barreges bituminoses mostrant unes propietats interessants.

En la sociedad actual hay una fuerte dependencia de los productos derivados de combustibles fósiles y es conveniente reducir esta dependencia de cara al futuro de la sociedad. Por otro lado, en el área de Tarragona hay presencia de industria agroalimentaria relacionada con los frutos secos, con la consecuente producción de residuos lignocelulósicos, como las cáscaras de almendras que podrían valorizarse para obtener compuestos químicos con las mismas funciones que a día de hoy tienen los derivados del petróleo. El principal objetivo de la tesis es aportar valor añadido a la biomasa de proximidad, en concreto a la cáscara de almendra de las comarcas de Tarragona, mediante su fraccionamiento y posterior transformación en productos de valor añadido, como el furfural, el tetrahidrofurfuril alcohol, el 5-hidroximetilfurfural y la preparación de mezclas bituminosas, utilizando catalizadores de bajo coste económico, basados en las arcillas. En esta tesis se han preparado, modificado las propiedades ácidas y caracterizado diferentes arcillas como hectoritas mesoporosas deslaminadas, fluorohectoritas (en un nuevo método de síntesis) o montmorillonita K10 comercial que posteriormente han sido utilizados como soportes catalíticos y como catalizadores ácidos en las diferentes reacciones planteadas. Se han optimizado las condiciones de reacción en cada caso. Los mejores rendimientos de furfural a partir del extracto de xilosa procedente de biomasa se ha conseguido con la hectorita deslaminada protonada llegando a un 90 %, a 160 ºC microondas y 4 h de reacción. La mayor selectividad a 5-hidroximetilfurfural (62 %) a partir de glucosa se logró con una mezcla de 44 % en peso Amberlyst-15 y 56 % en peso de montmorillonita K10 con un 56 % de conversión a 140 ºC en autoclave y 4 h de reacción. El mayor rendimiento a THFA a partir de furfural obtenido a partir del extracto de xilosa de biomasa se ha conseguido con un catalizador de Ni-Cu/hectorita mesoporosa preparado con una relación molar de Ni: Cu 1: 1 con un 90%, en la fase de tolueno, y un 80% en la fase acuosa.. Por último, se han utilizado ligninas obtenidas a partir de las cáscaras de almendras como sustitutos parcial del betún en la preparación de mezclas bituminosas mostrando unas propiedades interesantes.

In today's society there is a strong dependence on products derived from fossil fuels and it is convenient to reduce this dependence for the future of society. On the other hand, in the Tarragona area there is a presence of the agri-food industry related to nuts, with the consequent production of lignocellulosic waste, such as almond shells, which could be recovered to obtain chemical compounds with the same functions that they have today. petroleum derivatives. The main objective of the thesis is to provide added value to local biomass, specifically almond shells from the Tarragona region, through their fractionation and subsequent transformation into value-added products, such as furfural, tetrahydrofurfuryl alcohol, 5-hydroxymethylfurfural and the preparation of bituminous mixtures, using low-cost, clay-based catalysts. In this thesis, different clays such as delaminated mesoporous hectorites, fluorohectorites (in a new synthesis method) or commercial montmorillonite K10 have been prepared, modified their acid properties and characterized, which have subsequently been used as catalytic supports and as acid catalysts in the different reactions proposed. . The reaction conditions have been optimized in each case. The best yields of furfural from the xylose extract from biomass have been achieved with protonated delaminated hectorite reaching 90%, at 160 ºC microwave and 4 h of reaction. The highest selectivity to 5-hydroxymethylfurfural (62%) from glucose was achieved with a mixture of 44% by weight Amberlyst-15 and 56% by weight of montmorillonite K10 with 56% conversion at 140 ºC in autoclave and 4 h. of reaction. The highest yield of THFA from furfural obtained from the biomass xylose extract has been achieved with a Ni-Cu/mesoporous hectorite catalyst prepared with a molar ratio of Ni:Cu 1:1 with 90%, in the toluene phase, and 80% in the aqueous phase. Finally, lignins obtained from almond shells have been used as partial substitutes for bitumen in the preparation of bituminous mixtures, showing some interesting properties.