Avaliação da carbonização e sulfonação simultâneas de material celulósico e lignocelulósico para obtenção de catalisador ácido sólido e carbon dots
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Data de Publicação: | 2022 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFU |
Texto Completo: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/35878 http://doi.org/10.14393/ufu.di.2022.5038 |
Resumo: | The development of solid acid catalysts (SACs) in order to replace concentrated acid solutions, used in many industrial processes, has drawn great attention in recent years for presenting several advantages, mainly the possibility of recovery and reuse of heterogeneous catalysts. Carbon-based SACs stand out for the possibility of being produced by relatively simple and inexpensive paths, using accessible and renewable sources, usually produced by the sulfonation of previously carbonized materials. In the present work, the production of SACs was evaluated through the simultaneous carbonization and sulfonation of microcrystalline cellulose (MCC) and a biomass residue (Moringa oleifera pods, VM) by the direct reaction of these materials with concentrated sulfuric acid (H2SO4). The possibility of producing carbon dots (CD) was also evaluated once the emission of fluorescence from the supernatant was detected. The physical-chemical and structural characterizations showed no differences between the catalysts obtained from the two raw materials, although the MCC products showed better reuse results. Among the conditions studied, the SACs were successfully produced with temperature of 125 °C and reaction time of at least 60 minutes, yielding up to 62 % by mass and a total acid sites concentration reaching 1.3 mmol g-1, relatable with the ones presented by other works in the literature. X-Ray Diffraction (XRD) and Raman Spectroscopy analyzes indicate a structure consisting of randomly organized graphitized fragments; while Attenuated Total Reflectance Infrared Spectroscopy (ATR-FTIR) spectra indicates the presence of sulfonic groups (-SO3H) attached to the carbonic material. In oleic acid esterification experiments, yields of up to 89% were obtained with 6 h of reaction, using 5% of catalyst and methanol in a molar ratio of 1:20, which indicates a good catalytic capacity of the materials that, despite decreasing within cycles of reuse, it can be regenerated by treatment of spent catalyst with H2SO4. Analyzes of the supernatant separated during the preparation of the SACs indicated the production of CDs simultaneously with the carbonization/sulfonation process; therefore, the production of CDs from carbonized materials was tested by treating these materials with nitric acid (HNO3) and ultrasound. Fluorimetry studies indicates that the fluorescence of the obtained CDs is influenced by the pH of the medium and its emission is dependent of the excitation wavelength, making them potentially applicable as photocatalysts. In this way, the processes presented in this work allows to obtain SAC and CDs that can act as catalysts in a series of physical-chemical processes. |
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Avaliação da carbonização e sulfonação simultâneas de material celulósico e lignocelulósico para obtenção de catalisador ácido sólido e carbon dotsEvaluation of simultaneous carbonization and sulfonation of cellulosic and lignocellulosic material to obtain solid acid catalyst and carbon dotsCatalisadores heterogêneos sulfonadosSulphonated heterogeneous catalystsVagem da MoringaMoringa PodCelulose MicrocristalinaMicrocrystalline CelluloseEsterificaçãoEsterificationPontos Quânticos de CarbonoCarbon quantum dotsQuímicaChemistryCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICACNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA ORGANICAQuímicaCatalisadoresCarbonizaçãoÁcido nítricoThe development of solid acid catalysts (SACs) in order to replace concentrated acid solutions, used in many industrial processes, has drawn great attention in recent years for presenting several advantages, mainly the possibility of recovery and reuse of heterogeneous catalysts. Carbon-based SACs stand out for the possibility of being produced by relatively simple and inexpensive paths, using accessible and renewable sources, usually produced by the sulfonation of previously carbonized materials. In the present work, the production of SACs was evaluated through the simultaneous carbonization and sulfonation of microcrystalline cellulose (MCC) and a biomass residue (Moringa oleifera pods, VM) by the direct reaction of these materials with concentrated sulfuric acid (H2SO4). The possibility of producing carbon dots (CD) was also evaluated once the emission of fluorescence from the supernatant was detected. The physical-chemical and structural characterizations showed no differences between the catalysts obtained from the two raw materials, although the MCC products showed better reuse results. Among the conditions studied, the SACs were successfully produced with temperature of 125 °C and reaction time of at least 60 minutes, yielding up to 62 % by mass and a total acid sites concentration reaching 1.3 mmol g-1, relatable with the ones presented by other works in the literature. X-Ray Diffraction (XRD) and Raman Spectroscopy analyzes indicate a structure consisting of randomly organized graphitized fragments; while Attenuated Total Reflectance Infrared Spectroscopy (ATR-FTIR) spectra indicates the presence of sulfonic groups (-SO3H) attached to the carbonic material. In oleic acid esterification experiments, yields of up to 89% were obtained with 6 h of reaction, using 5% of catalyst and methanol in a molar ratio of 1:20, which indicates a good catalytic capacity of the materials that, despite decreasing within cycles of reuse, it can be regenerated by treatment of spent catalyst with H2SO4. Analyzes of the supernatant separated during the preparation of the SACs indicated the production of CDs simultaneously with the carbonization/sulfonation process; therefore, the production of CDs from carbonized materials was tested by treating these materials with nitric acid (HNO3) and ultrasound. Fluorimetry studies indicates that the fluorescence of the obtained CDs is influenced by the pH of the medium and its emission is dependent of the excitation wavelength, making them potentially applicable as photocatalysts. In this way, the processes presented in this work allows to obtain SAC and CDs that can act as catalysts in a series of physical-chemical processes.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorFAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas GeraisFinep - Financiadora de Estudos e ProjetosDissertação (Mestrado)O desenvolvimento de catalisadores ácidos sólidos (SAC) visando a substituição de soluções ácidas, utilizadas em diversos processos industriais, tem recebido grande atenção nos últimos anos por apresentar diversas vantagens, principalmente a possibilidade de recuperação e reuso dos catalisadores heterogêneos. Os SAC baseados em carbono se destacam pela possibilidade de serem produzidos por vias relativamente simples e baratas, a partir de fontes acessíveis e renováveis, geralmente produzidos pela sulfonação de materiais previamente carbonizados. No presente trabalho foram avaliadas as produções de SAC através da carbonização e sulfonação simultâneas da celulose microcristalina (MCC) e de um resíduo de biomassa (vagens de Moringa oleífera, VM) pela reação direta desses materiais com ácido sulfúrico concentrado (H2SO4). Foi avaliada também a possibilidade de se produzir carbon dots (CD), diante da emissão de fluorescência do sobrenadante. As caracterizações físico-químicas e estruturais não revelaram diferenças entre os catalisadores obtidos a partir das duas matérias primas, embora os SACs da MCC tenham apresentado melhores resultados de reuso. Dentre as condições estudadas, obteve-se sucesso na produção dos SAC utilizando temperaturas de 125 °C e pelo menos 60 minutos de reação, com rendimentos de até 62 % em massa e concentração de sítios ácidos totais de até 1,3 mmol g-1, compatível com o apresentado por outros trabalhos na literatura. Análises de Difração de Raios-X (DR-X) e Espectroscopia Raman indicam uma estrutura constituída de fragmentos grafíticos distribuídos aleatoriamente; e resultados de Espectroscopia na região do infravermelho por refletância atenuada (ATR- FTIR) indicam a presença de grupos sulfônicos (-SO3H) ligados ao material carbônico. Em experimentos de esterificação do ácido oleico, foram obtidos rendimentos de até 89 % com 6 h de reação, utilizando-se 5% de catalisador e metanol em uma razão molar de 1:20, o que indica uma boa capacidade catalítica dos materiais que, apesar de diminuir com ciclos de reuso, pode ser regenerada pelo tratamento dos SACs com H2SO4. Análises do sobrenadante da preparação dos SACs indicaram a produção de simultânea de CDs no processo de carbonização/sulfonação; a partir disso, testou-se a produção de CDs a partir dos materiais carbonizados pelo tratamento dos SACs com ácido nítrico e ultrassom. Estudos de Fluorimetria indicam que a fluorescência dos CDs obtidos é influenciada pelo pH do meio e a emissão é dependente do comprimento de onda de excitação, tornando-os potencialmente aplicáveis como fotocatalisadores. Dessa forma, o processo apresentado permite a obtenção de SAC e de CDs que podem atuar como catalisadores em uma série de processos físico-químicos.2024-06-01Universidade Federal de UberlândiaBrasilPrograma de Pós-graduação em QuímicaBatista, Antônio Carlos Ferreirahttp://lattes.cnpq.br/6037406255124458Assunção, Rosana Maria Nascimento dehttp://lattes.cnpq.br/9826939189216731Pasquini, Danielhttp://lattes.cnpq.br/6879704705300161Faria, Anizio Marcio dehttp://lattes.cnpq.br/5710906021234699Cerqueira, Daniel Alveshttp://lattes.cnpq.br/2869326690588369Souza, Mateus Cristian Gomes2022-08-29T16:50:02Z2022-08-29T16:50:02Z2022-04-29info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfSOUZA, Mateus Cristian Gomes. Avaliação da carbonização e sulfonação simultâneas de material celulósico e lignocelulósico para obtenção de catalisador ácido sólido e carbon dots. 2022. 142 f. Dissertação (Mestrado em Química) - Universidade Federal de Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2022.5038.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/35878http://doi.org/10.14393/ufu.di.2022.5038porhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/us/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2024-07-01T15:33:49Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/35878Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2024-07-01T15:33:49Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false |
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The development of solid acid catalysts (SACs) in order to replace concentrated acid solutions, used in many industrial processes, has drawn great attention in recent years for presenting several advantages, mainly the possibility of recovery and reuse of heterogeneous catalysts. Carbon-based SACs stand out for the possibility of being produced by relatively simple and inexpensive paths, using accessible and renewable sources, usually produced by the sulfonation of previously carbonized materials. In the present work, the production of SACs was evaluated through the simultaneous carbonization and sulfonation of microcrystalline cellulose (MCC) and a biomass residue (Moringa oleifera pods, VM) by the direct reaction of these materials with concentrated sulfuric acid (H2SO4). The possibility of producing carbon dots (CD) was also evaluated once the emission of fluorescence from the supernatant was detected. The physical-chemical and structural characterizations showed no differences between the catalysts obtained from the two raw materials, although the MCC products showed better reuse results. Among the conditions studied, the SACs were successfully produced with temperature of 125 °C and reaction time of at least 60 minutes, yielding up to 62 % by mass and a total acid sites concentration reaching 1.3 mmol g-1, relatable with the ones presented by other works in the literature. X-Ray Diffraction (XRD) and Raman Spectroscopy analyzes indicate a structure consisting of randomly organized graphitized fragments; while Attenuated Total Reflectance Infrared Spectroscopy (ATR-FTIR) spectra indicates the presence of sulfonic groups (-SO3H) attached to the carbonic material. In oleic acid esterification experiments, yields of up to 89% were obtained with 6 h of reaction, using 5% of catalyst and methanol in a molar ratio of 1:20, which indicates a good catalytic capacity of the materials that, despite decreasing within cycles of reuse, it can be regenerated by treatment of spent catalyst with H2SO4. Analyzes of the supernatant separated during the preparation of the SACs indicated the production of CDs simultaneously with the carbonization/sulfonation process; therefore, the production of CDs from carbonized materials was tested by treating these materials with nitric acid (HNO3) and ultrasound. Fluorimetry studies indicates that the fluorescence of the obtained CDs is influenced by the pH of the medium and its emission is dependent of the excitation wavelength, making them potentially applicable as photocatalysts. In this way, the processes presented in this work allows to obtain SAC and CDs that can act as catalysts in a series of physical-chemical processes. |
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