Estudio teórico-experimental de la pirólisis catalítica de biomasa

Abstract

En este trabajo se estudió el bagazo de Agave Salmiana (BAS) mediante pirólisis y pirólisis asistida con catalizadores, para la producción de productos químicos de alto valor agregado como aromáticos (benceno, tolueno), olefinas (eteno, 2-buteno, 1,3-butadieno), furanos (furano, furfural, 2-metilfurano) y compuestos oxigenados (ciclohexanona, 2-metilbutanol y propanona). Se estudió la descomposición térmica del BAS desde temperatura ambiente hasta 700 °C con una velocidad de calentamiento de 10 °C/min. La hemicelulosa se descompone entre 180 °C y 290 °C, seguido de la celulosa entre 290 °C y 350 °C, y la lignina se descompone en un intervalo más amplio y con un máximo de descomposición entre 450 °C y 490 °C. Se sintetizaron los catalizadores MCM-41 y Fe-MCM-41 (MCM-Fe) siguiendo el método hidrotérmico; así como V/MCM-Fe, Mg/MCM-Fe y V-Mg/MCM-Fe mediante la técnica de impregnación húmeda incipiente. Estos catalizadores poseen una estructura mesoporosa de poros unidimensionales hexagonales con un diámetro promedio de poro de 3.4 nm, determinado mediante DRX, SAXS, TEM y fisisorción de nitrógeno. Estos catalizadores se emplearon durante la pirólisis catalítica del BAS, demostrándose que presentan buena actividad catalítica en procesos de desoxigenación, que pueden mejorar la selectividad hacia compuestos deseables, y disminuir la producción de ácido acético y metanol principalmente. Adicionalmente, se realizó la simulación molecular de la estructura de MCM-Fe mediante DFT (Gaussian 09), y en ella se realizaron adsorciones sistemáticas de amoniaco, determinándose energías de adsorción sobre sitios ácidos Lewis y Brönsted.

In this work, the pyrolysis of Agave Salmiana bagasse was studied in the presence and absence of catalysts, for the production of high value-added chemicals such as aromatics (BTEX), olefins (ethene, 2-butene, 1,3-butadiene), furans (furan, furfural, 2-methylfuran) and oxygenated compounds (cyclohexanone, 2-methylbutanol, and propanone). The thermal decomposition of Agave Salmiana bagasse was studied between room temperature and 700 °C at a heating rate of 10 °C/min, determining that hemicellulose decomposes between 180 °C and 290 °C, followed by cellulose between 290 °C and 350 °C, and lignin decomposes in a wider range with a maximum decomposition rate between 450 °C and 490 °C. MCM-41, Fe-MCM-41 (MCM-Fe), V/MCM-Fe, Mg/MCM-Fe, and V-Mg/MCM-Fe mesoporous catalysts with moderate acidity were synthesized using the hydrothermal method (MCM-41, MCM-Fe), and incorporation of Mg and V by the incipient wetness impregnation method. These catalysts were characterized by XRD, SAXS, SEM, TEM, pyridine adsorption FTIR, Raman spectroscopy, and nitrogen physisorption. All the catalysts showed a mesoporous structure with one-dimensional hexagonal pores with an average pore diameter of 3.4 nm. These catalysts demonstrated good catalytic activity during the catalytic-assisted pyrolysis of ASB, producing a less corrosive bio-oil due to a lower acetic acid and methanol content, and can increase the production of industrially important compounds. Additionally, the molecular simulation of the MCM-Fe structure was carried out using DFT implemented in Gaussian 09. The adsorption energies of ammonia were calculated on Lewis and Brönsted acid sites.