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Type: Dissertação
Title: Catalisadores heterogêneos de cobalto e nióbio suportados em carvão hidrotermal para obtenção de bio-hidrocarbonetos a partir do hidroprocessamento catalítico do ácido oleico
Authors: Julia de Barros Dias Moreira
First Advisor: Vanya Marcia Duarte Pasa
First Referee: Marcos Juliano Prauchner
Second Referee: Fabiano Vargas Pereira
Abstract: Os biocomobsutíveis drop-in são bio-hidrocarbonetos, como o diesel verde e o bioquerosene de aviação, que apresentam mesma composição química que os combustíveis de petróleo. Podem ser usados sem a necessidade de mudanças em estruturas desenvolvidas para os combustíveis fósseis, como motores, turbinas e tanques de armazenamento. Nessa dissertação, estudaram-se a síntese, caracterização e avaliação da atividade catalítica de catalisadores de cobalto e cobalto/nióbio suportados em carbono para a desoxigenação do ácido oleico, como composto modelo. Os catalisadores foram sintetizados utilizando diferentes métodos, incluindo uma síntese hidrotermal one-pot, na qual ocorrem simultaneamente a carbonização do precursor de cobalto e a impregnação do metal de interesse. A síntese in situ do fosfato de nióbio também foi proposta e estudada, comparando a utilização de H3PO4 e (NH4)2HPO4 como agentes fosforados. A caracterização dos catalisadores foi feita por diferentes técnicas, como difração de raios-X, espectroscopia de absorção na região do infravermelho, microscopia eletrônica de transmissão e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X. A performance catalítica dos materiais foi avaliada a partir de várias reações em batelada, a 350 ºC, 30 bar de H2 por 3h, utilizando-se 10 % m/m de catalisador. Os resultados mostraram que a síntese hidrotermal one-pot foi eficiente para produzir um catalisador de cobalto muito ativo para a desoxigenação catalítica, com 100 % m/m de conversão resultando em um produto líquido composto apenas por hidrocarbonetos. Por outro lado, a síntese one-pot dos materiais de cobalto e nióbio resultou em catalisadores com baixas conversões, uma vez que a presença de espécies de nióbio parece reduzir a disponibilidade dos sítios ativos de cobalto. Além disso, os tratamentos com H3PO4 e (NH4)2HPO4 resultaram na lixiviação do cobalto e na formação de fosfato de cobalto, respectivamente, também reduzindo a disponibilidade de sítios metálicos ativos. Entretanto, a síntese prévia do fosfato de nióbio sobre o suporte de carbono seguida da impregnação incipiente de cobalto resultou em um catalisador que atingiu 100 % m/m de conversão e rendimento em hidrocarbonetos nos produtos líquidos. A quantidade de sítios ácidos de Bronsted presentes no catalisador sintetizado pelo tratamento com H3PO4 e posteriormente impregnado com cobalto foi suficiente para que reações de isomerização ocorressem, produzindo cerca de 3,5 % m/m de isoalcanos. Mesmo que em baixa extensão, estas reações são responsáveis por melhorar as propriedades a frio dos produtos sintetizados.
Abstract: Drop-in biofuels are bio-hydrocarbons, like green diesel and bio-jet fuel, which have the same chemical composition as fuels derived from petroleum. As a result, they can be used without changes in structure that already exists to fossils fuels, like motors, turbines, and tanks. That is why drop-in biofuels appear as a more effective alternative to conventional biofuels. In this thesis, it was proposed the synthesis, characterization, and evaluation of novel carbon-supported cobalt and cobalt-niobium catalysts to produce bio-hydrocarbons from a model compound, the oleic acid. The catalysts were synthesized by different methods, including a one-pot hydrothermal method, in which both carbonization and impregnation of metals occurred simultaneously. The niobium phosphate in-situ synthesis was also studied, comparing the utilization of phosphoric acid and ammonium dihydrogen phosphate as phosphorous precursors. The catalysts characterization was made by different techniques, such as X-ray diffraction, infrared spectroscopy, transmission electron microscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy. The catalytic performance was studied by several batch reactions, at 350 °C, 30 bar of H2 during 3h, using 10 %wt of catalyst. The characterization and reaction results showed that the hydrothermal one-pot synthesis is efficient to produce very active cobalt-based catalysts, with 100 %wt conversion resulting in a liquid product composed only by hydrocarbons. On the other hand, the one-pot synthesis of cobalt-niobium catalysts resulted in catalysts with low conversion rates, since the niobium species presence seems to reduce the availability of active cobalt sites. Furthermore, the treatment with H3PO4 e (NH4)2HPO4 resulted in the leaching of cobalt and in the production of cobalt phosphate, respectively. However, the previous synthesis of niobium phosphate over the carbon support followed by the incipient impregnation of cobalt resulted in a bifunctional catalyst, also with 100 %wt conversion and yield in hydrocarbons. Insights into the acidity of these catalysts were made and discussed, and it was concluded that the amount of Bronsted sites produced in the cobalt-niobium catalyst, produced by H3PO4 treatment, were capable to promote, even that in low extent, cracking and isomerization reactions, resulting in a product with about 3.5 %wt of branched alkanes.
Subject: Físico-química
Catalisadores de cobalto
Carbonização
Catálise heterogênea
Isomerização
Biocombustíveis
Raios X – Difração
Espectroscopia de infravermelho
Microscopia eletrônica
Hidrocarbonetos
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICX - DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Química
Rights: Acesso Restrito
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/
URI: http://hdl.handle.net/1843/63918
Issue Date: 15-Mar-2021
metadata.dc.description.embargo: 15-May-2023
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