Estudio teórico-experimental de la descomposición térmica de pectina en condiciones catalíticas

Abstract

Por medio de estudios de análisis termogravimétricos se lograron identificar tres eventos de descomposición durante la pirolisis de biomasas lignocelulósicas ricas en pectina, los parámetros cinéticos como energía de activación y factor pre-exponencial fueron calculados por medio de métodos isocinéticos bajo la consideración de primer orden en cada evento. Entre los productos importantes durante la descomposición de pectina se encuentra previamente reportado la producción de furfural proveniente de la pectina presente en la biomasa. Con el objetivo de identificarlas etapas difíciles a fin de incorporar un catalizador capaz de mejor el rendimiento de pectina a furfural las rutas más probables de descomposición de ácido D-galacturónico (compuesto mayoritario en la pectina) fueron analizadas por medio de la comparación de las barreras energéticas asociadas con los mecanismos cinéticos probables, parámetros obtenidos por medio de cálculos De las etapas analizadas como tautomerizacion, rompimiento de anillo, entre otros los procesos de deshidratación mostraron energías de activación más significativas en comparación. El efecto de un catalizador mesoporoso con acidez Brønsted del tipo Al-SBA-15 fue analizado. El análisis estructural de SBA-15 se realizó por medio de la comparación de parámetros estructurales como longitud de enlace y ángulos previamente reportados en la literatura con los obtenidos de manera teórica por medio de cálculos DFT a un nivel B3LYP/6-31+G (d, p) en diferentes modelos propuestos. La estructura más estable obtenida fue un modelo bicíclico de 5-6 miembros de Silicio; esta estructura fue modificada, sustituyendo isomórficamente Si por Al generando acidez del tipo Brønsted. La fuerza del sitio fue analizada por medio de la comparación de la barrera energética de deshidratación de metanol como molécula modelo de los grupos OH en la estructura de ácido D-galacturónico. Los resultados obtenidos mostraron mayor fuerza en los sitios formados en los silanoles del tipo libre (Q3) y geminal (Q2) formados por la sustitución isomórfica de Si por Al.

From thermogravimetric analysis (TGA) results three main decomposition events were identified in the lignocellulosic biomass pyrolysis, the kinetic parameters: pre exponential factor and activation energy for each event were calculated with different isokinetic methods as first order reaction as consideration. One of the main products obtained from biomass pyrolysis is furfural it has been previously reported that pectin decomposition leads to furfural. The most likely routes for the thermal decomposition of biomass derived D-galacturonic acid leading to furfural were analyzed through comparison of the activation energy barriers associated with possible kinetic pathways. Dehydration steps were associated with significant activation barriers. The effect of a mesoporous catalyst with Brønsted acidity such as Al-SBA-15 was analyzed. The chemical structure of SBA-15 was optimized by means of a comparison from the experimental structural data previously reported in literature and the structural parameters obtained from DFT calculations at B3LYP/6-31+G (d, p) level of several catalyst surface models. The bicyclic model structure obtained proved to be representative of framework species in SBA-15. The isomorphic substitution of Al in the SBA-15 model structure was made in order to generate Brønsted acidity. The acidity was studied for the dehydration of methanol, this reaction being representative of the dehydration processes that occur in biomass transformation to furfural. A higher Brønsted acidity strength was observed in free silanol type (Q3 ) and geminal silanol type (Q2 ) sites, formed by the isomorphic Al substitution of Si.