ÁREA: Química Inorgânica
TÍTULO: Produção e caracterização de catalisadores de H3PW12O40 suportados em carvão ativado para uso na hidrólise da celulose
AUTORES: Carminati, S.A. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS) ; Arantes, A.C.C. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS) ; Oliveira, A.C.S. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS) ; Bianchi, M.L. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS)
RESUMO: Nesse trabalho, o heteropoliácido H3PW12O40(HPW) suportado em carvão ativado
comercial (CAC) foi utilizado em reações de hidrólise de celulose. A celulose é
um polímero natural que, quando hidrolisada, fornece monômeros de glicose. Foram
produzidos e caracterizados dois catalisadores: o CAC-HPW(1:1) na proporção 1:1
e o CAC-HPW(2:1) na proporção 2:1. Os catalisadores apresentaram alta acidez
(1,64 e 1,24 mmolH+.g-1 respectivamente para 1:1 e 2:1) e áreas superficiais
menores que o CAC (1126m2.g-1). Os materiais produzidos foram testados em
reações de hidrólise da celulose nas temperaturas de 120 e 150°C e tempo de
reação de 2 horas. Os resultados mostraram uma maior conversão a açúcares
redutores totais (7,8%) quando utilizou-se a temperatura de 150°C e o
catalisador CAC-HPW (1:1).
PALAVRAS CHAVES: Heteropoliácido; Hidrólise de celulose; Carvão ativado
INTRODUÇÃO: A utilização de biomassa como matéria prima para produção de energia representa
uma das melhores alternativas para substituir o petróleo, que além de ser uma
fonte não renovável, promove a liberação de uma grande quantidade de poluentes
na atmosfera pela queima de seus produtos. O etanol chamado de “etanol de
segunda geração” ou “bioetanol” utiliza biomassa vegetal que, após algumas
etapas de tratamento, fornece a celulose, fonte de matéria prima para produção
de etanol. A celulose é o polímero natural mais abundante no planeta e constitui
uma fonte renovável de energia podendo ser obtida a partir de resíduos
agrícolas, florestais, urbanos, dentre outros. Ela está presente em toda a
biomassa vegetal e é formada por unidades do monossacarídeo β -D-glicose (FENGEL
e WEGENER, 1984), o que faz com que a celulose seja foco de vários estudos que
visam a produção de etanol via fermentação da glicose. A hidrólise da celulose
para obtenção dos monômeros de glicose deve ocorrer de maneira seletiva e com
bons rendimentos, para viabilizar a posterior fermentação e produção de etanol.
Vários processos de hidrólise (ácidos, básicos e enzimáticos) vêm sendo
estudados (BALAT, 2011). Dentre eles, a hidrólise ácida utilizando
heteropoliácidos (HPAs) tem apresentado diversas vantagens em relação ao
processo que utiliza ácidos inorgânicos tais como H2SO4 e HCl . Os HPAs
apresentam uma boa estabilidade térmica e uma alta acidez de Brönsted (POPE,
1983). Nesse contexto, esse trabalho teve como objetivo preparar e caracterizar
catalisadores utilizando HPAs suportados em CAC, em diferentes proporções, para
serem utilizados nas reações de hidrólise da celulose, em fase heterogênea, em
diferentes condições de temperaturas.
MATERIAL E MÉTODOS: Para a produção dos catalisadores CAC-HPW(1:1) e CAC-HPW(2:1) utilizou-se 3g de
CAC da marca Fluka, como suporte e 3 e 1,5 g, respectivamente, do HPW. Esta
mistura foi agitada, seca e pirolisada a 400°C. Foram caracterizados por análise
de grupos funcionais através de titulação potenciométrica para determinação da
acidez dos materiais em mmol de H+.g-1 , área superficial pelo método BET em m2.
g-1, infravermelho com transformada de Fourrier (FTIR) e espectroscopia
dispersiva de Raio-X (EDS). As reações de hidrólise da celulose foram realizadas
em sistema fechado, com agitação por 2 horas variando o catalisador e a
temperatura (120 e 150˚C). Utilizou-se 0,1g de celulose e como catalisador foram
utilizados: HPW (homogêneo), CAC-HPW(1:1) e CAC-HPW(2:1). Os produtos das
reações foram analisados de acordo com o teor de açúcares redutores totais
(ART), determinado por espectroscopia na região do ultravioleta-visível (540nm)
pelo método do DNS.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: Observou-se, pela análise dos grupos superficiais, que a acidez dos
catalisadores (CAC-HPW(1:1)=1,64 mmolH+.g-1; CAC-HPW(2:1)=1,24 mmolH+.g-1)
apresentou maiores valores quando comparados ao suporte CAC (0,89 mmolH+.g-1) e
ao heteropoliácido HPW (1,00 mmolH+.g-1). Por outro lado, a área superficial do
suporte CAC (1126m2.g-1) foi bem maior que a dos catalisadores (CAC-HPW(1:1)=272
m2.g-1; CAC-HPW(2:1)=444m2.g-1). Isso ocorre devido à impregnação dos poros do
carvão com o HPW, sendo que quanto maior a quantidade de HPW suportado, menor a
área superficial do catalisador. Pelos espectros de FTIR (Figura 1) pode-se
observar a presença das bandas características dos heteropoliácidos nos
catalisadores produzidos, bandas que não estão presentes no espectro do CAC. Na
análise de EDS a quantificação dos elementos (Figura 1) presentes no HPW
confirma a impregnação do suporte. Os resultados das reações de hidrólise de
celulose podem ser observados na Tabela 1. Nas reações 2 e 3 observamos a
eficiência do catalisador (homogêneo ou heterogêneo) para a hidrólise, se
comparado à reação sem catalisador (1). Comparando as reações 2 (0,2869 g de
HPW) e 3 (0,1503 g de HPW) observa-se que a % ART é semelhante, indicando que o
uso do HPW suportado é mais efetivo que o não suportado devido a maior acidez do
catalisador. Comparando as reações 3 e 4 utilizando o CAC-HPW(1:1), e as reações
5 e 6 utilizando o CAC-HPW(2:1) observa-se claramente a influência da
temperatura no meio reacional, sendo que quanto maior a temperatura, maior a
conversão em ART. Entre as reações 3 e 5 e as reações 4 e 6, podemos observar a
influência da quantidade de HPW suportado, sendo que quanto maior a razão de HPW
para CAC maior a conversão em ART.
Figura 1
Quantificação dos elementos por EDS e espectros de
FTIR
Tabela 1
Reações de hidrólise de celulose
CONCLUSÕES: Os resultados obtidos nas análises de área superficial, FTIR e EDS mostraram a
eficiência do processo de preparo dos catalisadores de HPW suportados em CAC.
Além disso, os materiais apresentaram uma acidez elevada. A utilização dos
catalisadores na hidrólise da celulose mostrou-se vantajoso, apesar da baixa
conversão de celulose. Maiores conversões foram obtidas com o HPW suportado no
CAC. Os resultados de % de ART nas diferentes reações mostraram a grande
influência da temperatura e da quantidade de HPW suportado.
AGRADECIMENTOS: Os autores agradecem à Fapemig, à CAPES e ao CNPQ pelo apoio financeiro e ao
CAPQ/UFLA pelas disponibilidade dos equipamentos utilizados nas análises.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: BALAT, M. Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway: A review. Energy Conversion and Management, v. 52, n. 2, p. 858-875, fev 2011.
FENGEL, D.; WEGENER, G. Wood and cellulosic chemistry. Berlin: Walter de Gruyter, 1984. 613p.
POPE, M.T. Heteropoly and Isopoly Oxometalates. Berlin: Springer, 1983. 180p.
