Efecto de condiciones de reacción sobre producción de hidroxiacetona y desactivación del catalizador Cu/γ Al2O3
DOI:
https://doi.org/10.15517/2rc1np22Palabras clave:
Desactivación, glicerol, hidroxiacetona, optimización, regeneraciónResumen
La conversión de glicerol a hidroxiacetona se investigó utilizando un catalizador de Cu/γ-Al2O3. Las reacciones se realizaron en un reactor de cuarzo de lecho fijo. Los catalizadores se activaron mediante tres métodos distintos: calcinación, reducción y calcinación-reducción. La reducción fue el método que proporcionó la mayor concentración y selectividad hacia hidroxiacetona. Además, se utilizó un análisis estadístico de Diseño Compuesto Central Rotable (CCRD, por sus siglas en inglés) para optimizar los parámetros de conversión de glicerol a hidroxiacetona con el catalizador reducido. Las variables de estudio fueron temperatura de reacción, flujo de gas portador y flujo de alimentación de glicerol. El análisis, con un 95 % de confianza, mostró que solo la temperatura de reacción tuvo un efecto significativo en las tres variables de respuesta. Mediante la función de deseabilidad, las condiciones óptimas para maximizar las respuestas fueron 299.43 °C, 70.97 mL/min de flujo de gas portador y 6.32 mL/h de flujo de alimentación de glicerol. Los valores experimentales bajo estas condiciones coincidieron con las predicciones. Además, se derivó una ecuación de desactivación del catalizador que resultó de primer orden. Por otra parte, una deposición de carbono en la superficie del catalizador y una reducción del 12 % en su área superficial fueron identificadas mediante CHONS, BET y XRD como fuentes de desactivación. Finalmente, se realizó un ciclo de reacciones con y sin tratamiento de reducción entre ellas, donde se observó que el catalizador recupera su actividad.
Descargas
Referencias
[1] OECD and FAO,UN, “OECD-FAO agricultural outlook 2015-2024,” Paris, France, 2015.
[2] F. Alashek, M. Keshe, and G. Alhassan, “Preparation of glycerol derivatives by entered of glycerol in different chemical organic reactions: A review,” Results Chem., vol. 4, Art. no. 100359, Jan. 2022, doi: 10.1016/j.rechem.2022.100359.
[3] M. Kashif, S. Thangarasu, T.H. Oh, P. Biswas, and D. Kang, “Vapor-phase hydrogenolysis of glycerol to value-added 1,2-propanediol over copper-nickel bimetallic catalysts supported on activated carbon,” Korean J. Chem. Eng., vol. 39, no. 10, pp. 2652–2663, Sep. 2022, doi: 10.1007/s11814- 022-1198-9.
[4] K. Koichumanova et al., “In situ ATR-IR studies in aqueous phase reforming of hydroxyacetone on Pt/ZrO2 and Pt/ AlO(OH) catalysts: The role of aldol condensation,” Appl. Catal. B: Environ., vol. 232, pp. 454-463, Sep. 2018, doi: 10.1016/j.apcatb.2018.03.090.
[5] A. K. K. Vikla, K. Koichumanova, S. He, and K. Seshan, “Aqueous-phase reforming of hydroxyacetone solution to bio-based H2 over supported Pt catalysts,” GEE, vol. 9, no. 4, pp. 777-788, Apr. 2024, doi: 10.1016/j.gee.2022.09.002.
[6] Elise M. Albuquerque, Luiz E.P. Borges, and M. A. Fraga, “Lactic acid production from aqueous-phase selective oxidation of hydroxyacetone,” J. Mol. Catal. A: Chem., vol. 400, pp. 64-70, May 2015, doi: 10.1016/j.molcata.2015.02.005.
[7] S. Basu and A. K. Sen, “A Review on Catalytic Dehydration of Glycerol to Acetol,” ChemBioEng Rev., vol. 8, no. 6, pp. 633-653, Dec. 2021, doi: 10.1002/cben.202100009.
[8] T. C. Gentil et al., “Acetol as a high-performance molecule for oxidation in alkaline direct liquid fuel cell,” Renewable Energy, vol. 165, pp. 37-42, Mar. 2021, doi: 10.1016/j. renene.2020.10.150.
[9] M. L. De Araújo et al., “Transformation of biomass derivatives in aqueous medium: Oxidation of ethanol from sugarcane and acetol from biodiesel glycerol catalyzed by Fe3+-H2O2,” Molecular Catalysis, vol. 500, Art. no. 111307, Jan. 2021, doi: 10.1016/j.mcat.2020.111307.
[10] Y. Fu, Y. Li, X. Zhang, Y. Liu, X. Zhou, and J. Qiao, “Electrochemical CO2 reduction to formic acid on crystalline SnO2 nanosphere catalyst with high selectivity and stability,” Chin. J. Catal., vol. 37, no. 7, pp. 1081-1088, Jul. 2016, doi: 10.1016/S1872-2067(15)61048-8.
[11] X. Lu, D. Y. C. Leung, H. Wang, M. K. H. Leung, and J. Xuan, “Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide to Formic Acid,” ChemElectroChem, vol. 1, no. 5, pp. 836-849, May 2014, doi: 10.1002/celc.201300206.
[12] S. Sato, M. Akiyama, R. Takahashi, T. Hara, K. Inui, and M. Yokota, “Vapor phase reaction of polyols over copper catalysts,” Appl. Catal. A: General, vol. 347, no. 2, pp. 186-191, Sep. 2008, doi: 10.1016/j.apcata.2008.06.013.
[13] R. B. Mane and C. V. Rode, “Continuous dehydration and hydrogenolysis of glycerol over non-chromium copper catalyst: Laboratory-Scale Processes Studies,” OPR&D, vol. 16, no. 5, pp. 1043-1052, Apr. 2012, doi: 10.1021/op200383r.
[14] B. C. Miranda et al., “Influence of copper on nickel-based catalysts in the conversion of glycerol,” Appl. Catal. B: Environ., vol. 166-167, pp. 166-180, May 2015, doi: 10.1016/j.apcatb.2014.11.019.
[15] B. C. Miranda Morales and B. A. O. Quesada, “Conversion of glycerol to hydroxyacetone over Cu and Ni catalysts,” Catal. Today, vol. 372, pp. 115-125, Jul. 2021, doi: 10.1016/j.cattod.2020.11.025.
[16] Minitab Statistical Software. (2021). Minitab, LLC. [En línea]. Disponible en: https://www.minitab.com
[17] H. Park, Y. Sik Yun, T. Yong Kim, K. Rok Lee, J. Baek, and J. Yi, “Kinetics of the dehydration of glycerol over acid catalysts with an investigation of deactivation mechanism by coke,” Appl. Catal. B: Environ., vol. 176-177, pp. 1-10, Oct. 2015, doi: 10.1016/j.apcatb.2015.03.046.
[18] I. Pala-Rosas et al., “Catalytic Deactivation of HY Zeolites in the Dehydration of Glycerol to Acrolein,” Catalysts, vol. 11, no. 3, Art. no. 360, Mar. 2021, doi: 10.3390/ catal11030360.
[19] R. B. Mane, A. Yamaguchi, A. Malawadkar, M. Shirai, and C. V. Rode, “Active sites in modified copper catalysts for selective liquid phase dehydration of aqueous glycerol to acetol,” RSC Adv., vol. 3, no. 37, pp. 16499-16508, Oct. 2013, doi: 10.1039/C3RA42348D.
[20] Z. Xiao, X. Wang, J. Xiu, Y. Wang, C. T. Williams, and C. Liang, “Synergetic effect between Cu0 and Cu+ in the Cu-Cr catalysts for hydrogenolysis of glycerol,” Catal. Today, vol. 234, pp. 200-207, Oct. 2014, doi: 10.1016/j.cattod.
2014.02.025.
[21] F. Vila, M. López Granados, M. Ojeda, J.L.G. Fierro, and R. Mariscal, “Glycerol hydrogenolysis to 1,2-propanediol with Cu/g-Al2O3: Effect of the activation process,” Catal. Today, vol. 187, no. 1, pp. 122-128, Jun. 2012, doi: 10.1016/j.cattod.2011.10.037.
[22] T. P. Braga, N. Essayem, S. Prakash, and A. Valentini, “Gasphase conversion of glycerol to acetol: influence of support acidity on the catalytic stability and copper surface properties on the activity,” J. Braz. Chem. Soc., vol. 27, no. 12, pp. 2361-2371, Dec. 2016, doi: 10.5935/0103-5053.20160134.
[23] S. Basu and A. K. Sen, “Dehydration of glycerol with silica–phosphate supported copper catalyst,” Res. Chem. Intermed., vol. 46, no. 7, pp. 3545-3568, Apr. 2020, doi: 10.1007/s11164-020-04161-4.
[24] M. E. Schlesinger, K. C. Sole, W. G. Davenport, and G. R. F. Alvear Flores, “Production and use,” in Extractive Metallurgy of Copper, 6th ed. Amsterdam, Netherlands: Elsevier Ltd., 2022, pp. 19-30. [Online]. Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780128218754000158
[25] A. Biesiekierski, K. Munir, Y. Li, and C. Wen, “Characterization techniques for metallic biomaterials,” in Metallic Biomaterials Processing and Medical Device Manufacturing, C. Wen, Ed. Duxford, United Kingdom: Elsevier Ltd., 2020, pp. 517-545. [Online]. Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780081029657000151?via%3Dihub
[26] N. Raju, V. Rekha, B. Abhishek, P. Mahesh Kumar, C. Sumana, and N. Lingaiah, “Studies on continuous selective hydrogenolysis of glycerol over supported Cu-Co bimetallic catalysts,” New J. Chem., vol. 44, no.7, pp. 3122-3128, Feb. 2020, doi: 10.1039/C9NJ04945B.
[27] S. Danov, A. Esipovich, A. Belousov, and A. Rogozhin, “Gas-phase dehydration of glycerol over commercial Pt/γ- Al2O3 catalysts,” Chin. J. Chem. Eng., vol. 23, no. 7, pp. 1138-1146, Jul. 2015, doi: 10.1016/j.cjche.2015.03.012.
[28] A. M. Bahmanpour et al., “Cu–Al Spinel as a Highly Active and Stable Catalyst for the Reverse Water Gas Shift Reaction,” ACS Catal., vol. 9, no. 7, pp. 6243-6251, Jun. 2019, doi: 10.1021/acscatal.9b01822.
[29] G. A. De Queiroz and C. M. M. De Bezerra Barbosa, “Study of the structural and morphological properties of copper catalysts supported on Al2O3 and TiO2 synthesized by the impregnation method,” Rev. Mater. , vol. 24, no. 1, May 2019, doi: 10.1590/S1517-707620190001.0605.
[30] M. Hattori, T. Hattori, and M. Ozawa, “The chemical state and Cu+ stability for three-way catalytic performance of Cu-added Al2O3 catalysts,” Appl. Catal. A: General, vol. 670, Art. no. 119515, Jan. 2024, doi: 10.1016/j.apcata.2023.119515.
[31] J. Lv, C. Chen, X. Guo, W. Ding, and W. Yang, “Crystal facet effect of γ-Al2O3 on catalytic property of CuO/γ-Al2O3 for CO oxidation,” Mol. Catal., vol. 547, Art. no. 113405, Aug. 2023, doi: 10.1016/j.mcat.2023.113405.
[32] S. Chen, Z. Zhang, F. Wang, H. Xie, Z. Jiao, and G. Zhou, “Solvent assisted to prepare shell structured Cu/γ-Al2O3 catalyst with low Cu content for oil efficient hydrodeoxygenation to high-quality biofuel,” Fuel, vol. 357, Art. no. 129870, Feb. 2024, doi: 10.1016/j.fuel.2023.129870.
[33] S.-Y. Ahn, K.-J. Kim, B.-J. Kim, J.-O. Shim, W.-J. Jang, and H.-S. Roh, “Unravelling the active sites and structure- activity relationship on Cu–ZnO–Al2O3 based catalysts for water-gas shift reaction,” Appl. Catal. B: Environ., vol. 325, Art. no. 122320, May 2023, doi: 10.1016/j.apcatb.2022.122320.
[34] R. J. Chimentão et al., “Selective dehydration of glycerol on copper based catalysts,” Catal. Today, vol. 367, pp. 58-70, May 2021, doi: 10.1016/j.cattod.2020.09.031.
[35] E. Gaitán Chavarría, T. Picado Espinoza, E. Durán Herrera, and B. C. M. Morales, “Eco-Friendly Transformation of Bioethanol into Ethylene over Bimetallic Nickel-Copper Catalysts,” ChemPlusChem, vol. 89, no. 11, Art. no.
e202400135, Nov. 2024, doi: 10.1002/cplu.202400135.
[36] X. Ai, H. Xie, S. Chen, G. Zhang, B. Xu, and G. Zhou, “Highly dispersed mesoporous Cu/γ-Al2O3 catalyst for RWGS reaction,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 47, no. 33, pp. 14884-14895, Apr. 2022. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.03.002.
[37] C. H. Bartholomew, “Mechanisms of catalyst deactivation,” Appl. Catal. A: General, vol. 212, no. 1-2, pp. 17-60, Apr. 2001, doi: 10.1016/S0926-860X(00)00843-7.
Publicado
Número
Sección
Licencia
Derechos de autor 2026 María Daniela Barrantes Mena, Maureen Daniela Córdoba Pérez, Bárbara Cristina Miranda Morales (Autor/a)
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0.
Se considerarán autores a quienes:
- Hayan contribuido sustancialmente en la concepción o diseño del trabajo, o en la interpretación de los datos.
- Hayan participado en el diseño del trabajo de investigación o en la revisión crítica del contenido.
- Hayan intervenido en la aprobación final de la versión que será publicada.
- Están en posición de responder a cualquier duda suscitada en cuanto al trabajo que fue publicado.
- Un autor deberá cumplir con todos los requisitos antes mencionados (adaptado del Comité Internacional de Editores de Revistas Médicas http://www.icmje.org/recommendations/translations/spanish2015.pdf)
Los autores que publican en esta revista están de acuerdo con los siguientes términos:
- Los autores conservan los derechos de autor y garantizan a la revista el derecho de ser la primera publicación del trabajo.
- Ingeniería: Revista de la Universidad de Costa Rica, establece una licencia Creative Commons Attribution License que permite a otros compartir el trabajo con un reconocimiento de la autoría del mismo y con un reconocimiento de la publicación inicial en esta revista.
- Los autores pueden establecer por separado acuerdos adicionales para la distribución no exclusiva de la versión de la obra publicada en la revista (por ejemplo, situarlo en un repositorio institucional o publicarlo en un libro), con un reconocimiento de su publicación inicial en esta revista.
- Los autores pueden difundir sus trabajos electrónicamente (por ejemplo, en repositorios institucionales o en su propio sitio web) únicamente tras el proceso de aprobación y publicación del manuscrito.
- A partir del Volumen 26 No.1 del 2016; los derechos de autor corresponden a los autores de los documentos. Antes de esa fecha las políticas editoriales indicaban que ese derecho pertenecía a Ingeniería: Revista de la Universidad de Costa Rica.
- A partir del Volumen 32.1 del 2022; los autores deben detallar los roles en los que ha participado cada uno de los autores. Cada autor puede tener varios roles y cada rol puede ser empleado en diferentes autores.
La taxonomía de roles es la siguiente:
Conceptualización – Ideas; formulación o evolución de los objetivos y metas generales de la investigación.
Curación de datos – Actividades de gestión para anotar (producir metadatos), depurar datos y mantener los datos de la investigación (incluido el código de software, cuando sea necesario para interpretar los propios datos) para su uso inicial y su posterior reutilización.
Análisis formal – Aplicación de técnicas estadísticas, matemáticas, computacionales u otras técnicas formales para analizar o sintetizar datos de estudio.
Adquisición de fondos – Adquisición del apoyo financiero para el proyecto que conduce a esta publicación.
Investigación – Realización de una investigación y proceso de investigación, realizando específicamente los experimentos, o la recolección de datos/evidencia.
Metodología – Desarrollo o diseño de la metodología; creación de modelos.
Administración del proyecto – Responsabilidad de gestión y coordinación de la planificación y ejecución de la actividad de investigación.
Recursos – Suministro de materiales de estudio, reactivos, materiales, pacientes, muestras de laboratorio, animales, instrumentación, recursos informáticos u otras herramientas de análisis.
Software – Programación, desarrollo de software; diseño de programas informáticos; implementación del código informático y de los algoritmos de apoyo; prueba de los componentes de código existentes.
Supervisión – Responsabilidad de supervisión y liderazgo en la planificación y ejecución de actividades de investigación, incluyendo la tutoría externa al equipo central.
Validación – Verificación, ya sea como parte de la actividad o por separado, de la replicabilidad/reproducción general de los resultados/experimentos y otros productos de la investigación.
Visualización – Preparación, creación y/o presentación del trabajo publicado, específicamente la visualización/presentación de datos.
Redacción – borrador original – Preparación, creación y/o presentación del trabajo publicado, específicamente la redacción del borrador inicial (incluyendo la traducción sustantiva).
Redacción – revisión y edición – Preparación, creación y/o presentación del trabajo publicado por los miembros del grupo de investigación original, específicamente revisión crítica, comentario o revisión – incluyendo las etapas previas o posteriores a la publicación.
