Obtención catalítica en fase líquida de derivados furánicos a partir de carbohidratos provenientes de residuos de lignocelulosa para su aplicación como biocombustibles

Abstract

En este trabajo se evaluaron catalizadores mesoporosos funcionalizados con grupos sulfónicos, basados en estructuras silíceas ordenadas tipo MCM-41, SBA-15, KIT‑6 y FDU‑12, con diferente contenido de azufre, expresado como S/Si = 5, 10 y 15%. Se evaluó la efectividad del método de síntesis y la modificación superficial con trimetil(metoxi)silano (TMS) para generar catalizadores resistentes en fase acuosa. Los catalizadores fueron caracterizados con el fin de determinar la acidez total y las propiedades texturales y analizar la distribución de sitios activos según la densidad ácida efectiva. Los análisis revelaron diferencias estructurales y de funcionalización entre los materiales, que se correlacionaron con su desempeño catalítico en la transformación de fructosa hacia éteres furánicos, principalmente 5-etoximetilfurfural (EMF), un compuesto considerado aditivo biocombustible elevador de cetanos para biodiésel y potencial sustituto de combustibles diésel. La actividad catalítica se evaluó tanto en un sistema de reacción batch discontinuo como en un reactor tubular de lecho fijo operando en régimen continuo. Adicionalmente, se determinaron los parámetros cinéticos y termodinámicos de las reacciones involucradas mediante un modelo pseudohomogéneo. Los catalizadores sulfonados SBA-15 y FDU-12 mostraron mejor desempeño en la producción de EMF, mientras que la modificación hidrofóbica de catalizadores tipo KIT-6 mejoró la selectividad hacia EMF y redujo la formación de subproductos. La mejora en la actividad aparente se relaciona con la optimización de la densidad ácida efectiva en función de la topología del soporte. Finalmente, se realizaron estudios preliminares de procesamiento de biomasa, estableciendo las bases para futuros estudios con los catalizadores sulfonados SBA-15 y FDU-12.

In this work, mesoporous catalysts functionalized with sulfonic groups were evaluated, based on ordered silica structures of the MCM-41, SBA-15, KIT-6, and FDU-12 types, with different sulfur contents expressed as S/Si ratios of 5, 10, and 15%. The effectiveness of the synthesis method and the surface modification with trimethyl(methoxy)silane (TMS) were systematically assessed to generate catalysts resistant under aqueous-phase reaction conditions. The materials were thoroughly characterized in order to determine total acidity and textural properties and to analyze the distribution of active sites according to the effective acid site density. The analyses revealed structural and functionalization differences among the materials, which were directly correlated with their catalytic performance in the conversion of fructose into furan ethers, mainly 5-ethoxymethylfurfural (EMF), a compound considered a biofuel additive that enhances the cetane number of biodiesel and a potential substitute for conventional diesel fuels. Catalytic activity was evaluated both in a discontinuous batch reaction system and in a fixed-bed tubular reactor operating under continuous-flow regime conditions. Additionally, kinetic and thermodynamic parameters of the involved reactions were determined using a pseudohomogeneous kinetic model. Sulfonated SBA-15 and FDU-12 catalysts exhibited superior performance toward EMF production, whereas hydrophobic modification of KIT-6-type catalysts improved selectivity to EMF and reduced the formation of undesired by-products. The enhancement in apparent catalytic activity was associated with the optimization of effective acid site density as a function of the support topology. Finally, preliminary biomass processing studies were conducted, establishing the basis for future investigations employing sulfonated SBA-15 and FDU-12 catalysts.