Preparação e caracterização de aerogel de nanofibras de celulose com grafite oxidado sulfonado e sua aplicação como catalisador em reações de esterificação na produção de biodiesel

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Rost, Érica
Data de Publicação: 2024
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFU
Texto Completo: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/41235
http://doi.org/10.14393/ufu.di.2024.128
Resumo: The biodiesel production routes through the esterification and transesterification processes are similar due to the common use of a catalyst to accelerate the reaction. Acid heterogeneous catalysis has the advantages of greater ease of product purification, biodegradability, ease of separation and reuse. Some requirements, however, affect the efficiency of heterogeneous catalysis, namely, the surface area and hydrophobic character. In this sense, the airgel derived from cellulose nanofibers (NFC) is interesting due to its high porosity, low cost and biodegradability, as well such as, the use of graphite is relevant due to its hydrophobicity. Therefore, this study aims to produce, in an innovative way, a heterogeneous organic acid catalyst in the form of cellulose nanofiber airgel with sulfonated oxidized graphite, to produce biodiesel through the oleic acid esterification process. The graphite was oxidized in low proportions by 2,2,6,6-Tetramethylpiperidine 1-oxyl free radical (TEMPO). The graphite sulfonation process was carried out using the reagents sulfanilic acid, sulfuric acid and sodium dodecylbenzenesulfonate (SDBS). The functionalized graphite was added to the NFC in a proportion of 50% and the mixture was subjected to the freeze-drying process, resulting in the catalyst in the form of an airgel. To test the efficiency of the catalysts, their use in an esterification reaction was analyzed, together with the reagents oleic acid and methanol, the latter being in excess. The results pointed to low oxidation and sulfonation of graphite, with the exception of oxidized graphite functionalized with sulfanilic acid, which presented lower electrostatic stability and, on the other hand, greater thermal stability, greater incorporation of sulfonic groups, essential for better catalytic performance, as well as, high surface area, with greater measurement of pore volume and diameter, highlighting that these findings show promise for better accessibility of reagents to active sites. The crystallinity of the graphite structure did not suffer significant interference in the functionalization processes. The aerogels produced were used in the synthesis of biodiesel by esterification processes, using conventional heating and the methyl route. Among the variation in the conditions for esterification to occur, temperature was the most significant, due to the kinetic and thermodynamic favoring of the occurrence. The occurrence esterified for 10 min and 100° C, without manifestation (white), declared the conversion of 33% to methyl oleate, report the autocatalysis of the occurrence mediated by carboxylic acid. The highest conversion involved the conditions of molar ratio methanol: oleic acid 10:1, body occurrence of 5% (m/m) in relation to the mass of oleic acid, time of 2 h and temperature of 150°C, reaching 70% for the sample esterified by NFC/GPS airgel – acid. sulfanilic. Therefore, to obtain greater process efficiency with its use, the need to optimize the reaction conditions is evident.
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Consumo e produção responsáveis - Assegurar padrões de produção e de consumo sustentáveis.The biodiesel production routes through the esterification and transesterification processes are similar due to the common use of a catalyst to accelerate the reaction. Acid heterogeneous catalysis has the advantages of greater ease of product purification, biodegradability, ease of separation and reuse. Some requirements, however, affect the efficiency of heterogeneous catalysis, namely, the surface area and hydrophobic character. In this sense, the airgel derived from cellulose nanofibers (NFC) is interesting due to its high porosity, low cost and biodegradability, as well such as, the use of graphite is relevant due to its hydrophobicity. Therefore, this study aims to produce, in an innovative way, a heterogeneous organic acid catalyst in the form of cellulose nanofiber airgel with sulfonated oxidized graphite, to produce biodiesel through the oleic acid esterification process. The graphite was oxidized in low proportions by 2,2,6,6-Tetramethylpiperidine 1-oxyl free radical (TEMPO). The graphite sulfonation process was carried out using the reagents sulfanilic acid, sulfuric acid and sodium dodecylbenzenesulfonate (SDBS). The functionalized graphite was added to the NFC in a proportion of 50% and the mixture was subjected to the freeze-drying process, resulting in the catalyst in the form of an airgel. To test the efficiency of the catalysts, their use in an esterification reaction was analyzed, together with the reagents oleic acid and methanol, the latter being in excess. The results pointed to low oxidation and sulfonation of graphite, with the exception of oxidized graphite functionalized with sulfanilic acid, which presented lower electrostatic stability and, on the other hand, greater thermal stability, greater incorporation of sulfonic groups, essential for better catalytic performance, as well as, high surface area, with greater measurement of pore volume and diameter, highlighting that these findings show promise for better accessibility of reagents to active sites. The crystallinity of the graphite structure did not suffer significant interference in the functionalization processes. The aerogels produced were used in the synthesis of biodiesel by esterification processes, using conventional heating and the methyl route. Among the variation in the conditions for esterification to occur, temperature was the most significant, due to the kinetic and thermodynamic favoring of the occurrence. The occurrence esterified for 10 min and 100° C, without manifestation (white), declared the conversion of 33% to methyl oleate, report the autocatalysis of the occurrence mediated by carboxylic acid. The highest conversion involved the conditions of molar ratio methanol: oleic acid 10:1, body occurrence of 5% (m/m) in relation to the mass of oleic acid, time of 2 h and temperature of 150°C, reaching 70% for the sample esterified by NFC/GPS airgel – acid. sulfanilic. Therefore, to obtain greater process efficiency with its use, the need to optimize the reaction conditions is evident.FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas GeraisDissertação (Mestrado)As rotas de produção de biodiesel por meio dos processos de esterificação e transesterificação assemelham-se pela utilização comum de um catalisador para acelerar a reação. A catálise heterogênea ácida apresenta as vantagens de maior facilidade de purificação do produto, biodegradabilidade, facilidade de separação e reaproveitamento. Alguns requisitos, no entanto, afetam a eficiência da catálise heterogênea, a saber, a área superficial e caráter hidrofóbico, nesse sentido, o aerogel derivado de nanofibras de celulose (NFC) se faz interessante pela sua alta porosidade, baixo custo e biodegradabilidade, assim como, a utilização do grafite se faz relevante pela sua hidrofobicidade. Dessa forma, este estudo visa produzir, de forma inovadora, um catalisador orgânico heterogêneo ácido na forma de aerogel de nanofibras de celulose com grafite oxidado sulfonado, para produzir biodiesel por meio do processo de esterificação do ácido oleico. O grafite foi oxidado em baixas proporções por 2,2,6,6-Tetrametilpiperidina 1-oxil radical livre (TEMPO). O processo de sulfonação do grafite foi realizado utilizando-se os reagentes ácido sulfanílico, ácido sulfúrico e dodecilbenzenossulfonato de sódio (SDBS). O grafite funcionalizado foi adicionado às NFC na proporção de 50% e a mistura foi submetida ao processo de liofilização, resultando no catalisador na forma de aerogel. Para a testagem da eficiência dos catalisadores, foi analisada a sua utilização em uma reação de esterificação, juntamente aos reagentes ácido oleico e metanol, sendo esse em excesso. Os resultados apontaram para a baixa oxidação e sulfonação do grafite, com exceção do grafite oxidado funcionalizado com ácido sulfanílico, que apresentou menor estabilidade eletrostática e, por outro lado, maior estabilidade térmica, maior incorporação de grupos sulfônicos, essenciais para um melhor desempenho catalítico, assim como, alta área superficial, com maior medição de volume e diâmetro de poros, destacando-se que esse catalisador mostra-se como promissor para uma melhor acessibilidade dos reagentes aos sítios ativos. A cristalinidade da estrutura do grafite não sofreu interferência significativa pelos processos de funcionalização. Os aerogéis produzidos foram utilizados na síntese de biodiesel por processos de esterificação, utilizando o aquecimento convencional e rota metílica. Dentre a variação das condições da reação de esterificação, a temperatura foi a mais significativa, em decorrência do favorecimento cinético e termodinâmico da reação. A reação esterificada durante 10 min e 100° C, sem catalisador (branco), demonstrou a conversão de 33% em oleato de metila, indicando a autocatálise da reação mediada pelo ácido carboxílico. A mais alta conversão, envolveu as condições de razão molar metanol: ácido oleico 10:1, carregamento de catalisador de 5 % (m/m) em relação a massa do ácido oleico, tempo de 2 h e temperatura de 150°C, chegando a 70% para a amostra esterificada pelo aerogel NFC/GPS – ác. sulfanílico. Dessa forma, para conseguir maior eficiência do processo com o seu uso, fica evidente a necessidade de otimização das condições reacionais.Universidade Federal de UberlândiaBrasilPrograma de Pós-graduação em BiocombustíveisPasquini, Danielhttp://lattes.cnpq.br/6879704705300161Santos, Sandro Luiz Barbosa doshttp://lattes.cnpq.br/1838900365016581Silva, Tatiana Aparecida Rosa dahttp://lattes.cnpq.br/4437253147512334Rost, Érica2024-02-21T18:48:44Z2024-02-21T18:48:44Z2024-02-15info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfROST, Érica. Preparação e caracterização de aerogel de nanofibras de celulose com grafite oxidado sulfonado e sua aplicação como catalisador em reação de esterificação na produção de biodiesel. 2024. 154 f. Dissertação (Mestrado em Biocombustíveis) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2024.128.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/41235http://doi.org/10.14393/ufu.di.2024.128porhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/us/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2024-02-22T06:24:36Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/41235Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2024-02-22T06:24:36Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false
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