Pirólisis de biomasa residual abundante en la región sur de la provincia de Buenos Aires para la obtención de productos de alto valor agregado

Abstract

En el Capítulo 1 se realiza una contextualización de la importancia y necesidad de realizar una conversión de residuos biomásicos a productos de valor agregado, en el marco de la biorrefinería integral. Se describen los tipos de transformaciones para su valorización, priorizando el proceso de pirólisis. Se describen los productos de este proceso y se analizan sus posibles aplicaciones y usos. En base a este análisis se plantean objetivos y la metodología correspondiente. En el Capítulo 2, como una aproximación simplificada a la pirólisis de biomasa residual real, se realizan pirólisis de celulosa en un reactor a escala laboratorio. Se analizan los líquidos pirolíticos, estudiando el efecto de la presencia de catalizadores de la familia MCM-41 en contacto con la celulosa. Se establecen las relaciones entre las propiedades fisicoquímicas de los catalizadores y los rendimientos a los productos. Se destaca el catalizador Al-MCM-41 que produce 60 % de líquido con 89 % de levoglucosenona. Se determina la influencia de pre lavados con soluciones con ácido fosfórico de la celulosa sobre el rendimiento a los distintos productos. En el Capítulo 3 se detalla la composición química, el análisis elemental, el contenido de metales, el comportamiento térmico y se presentan micrografías SEM de las cáscaras de girasol. Se realizan pirólisis en un reactor en flujo de N2 a 400°C, cuantificándose e identificándose mediante cromatografía gaseosa acoplada a detección por masas los productos que genera esta biomasa. Se determina la influencia de pretratamientos químicos y de la presencia de catalizadores heterogéneos junto con las cáscaras, sobre los rendimientos a los distintos productos y sobre la composición química de los mismos. Se concluye que los pretratamientos ácidos llevan a líquidos ricos en furfural, en particular el tratamiento con H3PO4 15 % produce furfural al 100%. En el Capítulo 4 se caracteriza la macroalga Rhizoclonium sp. Se realizan pirólisis catalíticas con SBA-15, Cu-SBA-15 y Al-Fe-MCM-41, determinándose una fuerte influencia de los mismos sobre la composición del bio-líquido. Las características ácidas y las propiedades redox de los catalizadores son responsables de la modificación química de los líquidos algales. Se concluye que la pirólisis de este alga, de acuerdo a las condiciones, lleva a fitol (13,4%), acetol (46,9%) y aminas, todos de elevado valor económico. En el Capítulo 5 se analiza el co-producto de pirólisis: el bio-carbón. La caracterización muestra que poseen áreas BET en el 4-100 m2/g. Se emplea el bio-carbón como soporte para catalizadores de Paladio (Pd/BCs). Se estudia la hidrogenación de furfural empleando Pd/BCs en un reactor Batch, en condiciones suaves de reacción, no solamente en soluciones modelo, sino también en el bio-líquido real proveniente de la pirólisis de la cáscara de girasol. Se propone un proceso alternativo sustentable para la producción industrial de furfuril alcohol. En el Capítulo 6 se concluye que es posible valorizar cáscara de girasol y Rhizoclonium sp. mediante la pirólisis, generando productos de alto valor agregado. Se plantean trabajos a futuro que se avizoran a partir del presente estudio.

In Chapter 1 it is presented a contextualization of the importance of carrying out biomass conversion into valuable products. Different biomass transformations are described centering the attention on pyrolysis and also describing the products and the application of it obtained by this process. Finally, this chapter presents the aims of the study and the correspondent methodology. Pyrolysis of cellulose as an approximation to real biomass is presented in chapter 2. The reactions were carried out in a lab-scale reactor. This chapter deals with the analysis of pyrolytic liquids obtained using MCM-41 heterogeneous catalysts in contact with cellulose. Some physicochemical properties of these catalyst are related to the yields of the different pyrolysis products. It is remarkable that Al-MCM-41 catalyst produces 60 wt.% of bio-liquid with 89 wt.% of levoglucosenone. In addition, it is determined the influence of phosphoric acid washing in the yield of the pyrolytic products. Chapter 3 presents the chemical content, elemental analysis, metal content, thermal behavior and SEM micrographics of sunflower seed hulls. Pyrolysis reactions are carried out under a N2 atmosphere at 400 °C quantifying and identifying with GC-MS the product that this biomass generates in this reaction. Besides, it is described the influence of some pretreatment and the presence of heterogeneous catalysts on the yield and composition of the pyrolytic products. It is concluded that acid pretreatments lead to liquids rich in furfural, specifically, H3PO4 15 % produce only furfural in the liquid. Characterization of macro-alga Rhizoclonium sp. is described in Chapter 4. Pyrolysis reactions of this biomass are carried out using SBA-15, Cu-SBA-15, and Al-Fe-SBA-15 determining a strong influence of this catalysts on the bio-liquid composition. Redox and acid sites are the main responsible for chemical modification in these liquids. It is concluded that using pyrolysis with this alga lead to phytol (13,4 %), acetol (46,9 %) and amines depending on the reaction parameters. Bio-char as a side-product of pyrolysis reaction is analyzed in Chapter 5. The characterization showed that this material presented BET areas between 4 and 100 m2/g. Specifically, bio-chars are studied as a catalyst support for palladium (Pd/BCs). The hydrogenation of furfural is carried out employing these catalysts in a Bach reactor at mild conditions not only with commercial furfural but using a real bio-liquid from sunflower seed hull pyrolysis. It is proposed an alternative sustainable process for furfuryl alcohol production. Finally, in Chapter 6, it is concluded that pyrolysis is an adequate method to valorize sunflower seed hulls and Rhizclonium sp., since it generates high added-value products. Besides, future work is described based on the results of this study.