Modelação cinética da conversão catalítica da xilose em furfural

Abstract

O furfural é considerado um “produto químico plataforma” pois é usado como intermediário na produção de uma vasta gama de compostos químicos de alto valor acrescentado. O furfural pode ser obtido por desidratação da xilose sendo assim uma via para a valorização da biomassa vegetal, inserindo-se no conceito da Biorefinaria e nos objetivos de investigação do laboratório associado CICECO. Numa primeira fase o trabalho centrou-se na pesquisa e análise comparativa dos mecanismos propostos na literatura para a desidratação catalítica, homogénea e heterogénea, da xilose em furfural. Com base nesta revisão bibliográfica propuseram-se três modelos cinéticos pseudo-homogéneos para as reações envolvidas na conversão da xilose catalisada pelo zeólito beta. Os três modelos (M1, M2, M3) consideram a formação de lixose, furfural e subprodutos através de reações uni- ou bimoleculares irreversíveis, diferindo entre si nos seguintes pressupostos: i) a conversão da xilose em furfural é uma reação direta (M1) ou envolve a formação de uma espécie intermediária (M2 e M3), ii) a decomposição do furfural ocorre por reações de condensação com a espécie intermediária (M2 e M3) ou com a xilose e a lixose (M1 e M3). Os modelos foram testados por ajuste das equações diferenciais ordinárias, representativas dos balanços às espécies reativas num reator descontínuo isotérmico, aos resultados experimentais de concentração versus tempo da xilose, lixose e furfural. As reações foram realizadas em solução aquosa, em reatores fechados a 1000 rpm e 170 °C, usando nanocristais de zeólito beta como catalisador. A composição da fase líquida foi determinada por análise HPLC e o catalisador “usado” foi analisado por TGA e DSC para quantificação de subprodutos insolúveis. Para as condições testadas o modelo M3 é o mais adequado.

Furfural is a valuable platform chemical that has the potential to replace a variety of oil/coal/gas derived materials mainly high added-value chemical products. Furfural is produced by the dehydration of xylose, which in turn is obtained from lignocellulosic biomass. Therefore, furfural is a key element to develop the biorefinery concept and fulfil some of the research objectives of the associated laboratory CICECO. The present work starts with a literature review and comparative analysis of the mechanisms proposed for the homogeneous and heterogeneous catalytic dehydration of xylose to furfural. Based on the literature review three pseudo-homogeneous kinetic models are proposed for the reactions involved in the conversion of xylose catalyzed by zeolite beta. The three models (M1, M2, M3) consider the formation of lyxose, furfural and by-products via irreversible uni- or bimolecular reactions. The models differ on the following assumptions: i) the conversion of xilose to furfural occurs directly (M1) or involves an intermediate species (M2 and M3), ii) decomposition of furfural occurs by condensation reactions with the intermediate species (M2 and M3) or with xylose and lyxose (M1 and M3). The models were tested by fitting the experimental data, xylose, lyxose and furfural concentration versus time, to the ordinary differential equations representing the molar balance on the reactive species. The reactions were performed in batch reactors, at 1000 rpm and 170° C, using water as solvent and of zeolite beta nanocrystals as catalyst. The liquid phase was analysed by HPLC Analysis and thermal analysis (TGA/DSC) of the “spent” catalyst was used for quantification of insoluble by-products. The best fit was obtained for model M3.