masterThesis
Intensificação do processo hidrotérmico do glicerol catalisado para produção de ácidos lático e acrílico
Autor
SOUZA, Delma Sarmento
Institución
Resumen
O glicerol é uma substância de grande importância industrial, por ser amplamente utilizado nos setores de alimentação, cosméticos, fármacos entre outros. A reestruturação do modelo energético mundial, que progressivamente investe em economia verde, resultou no excesso de glicerol no mercado, visto que é o maior subproduto da indústria do biodiesel. A fim de conter a depreciação e agregar valor ao produto, novas pesquisas foram publicadas acerca da conversão do glicerol em compostos de maior valor agregado, dentre esses destaca-se o ácido lático, que adquiriu certa relevância por ter aplicações promissoras, como a produção de poli(ácido lático) e de ácido acrílico. O objetivo desta pesquisa foi desenvolver o processamento hidrotérmico para a produção de ácido acrílico a partir do ácido lático proveniente da conversão do glicerol. O presente estudo foi dividido em três etapas, primeiramente foi realizado o estudo da conversão hidrotérmica alcalina de uma solução de 100 g.L⁻¹ de glicerol em ácido lático, no qual foi verificado a influência da razão molar hidróxido de sódio/glicerol (entre 1,0 e 1,4) e da temperatura (entre 280ºC e 320ºC) no rendimento do produto. Também foi desenvolvido um modelo matemático considerando uma cinética de primeira ordem para este processo. Na segunda etapa foi avaliada a influência da temperatura (280ºC a 320ºC) na desidratação hidrotérmica de ácido lático comercial (50 g.L⁻¹) em ácido acrílico, nesta etapa também foi determinado o ácido mineral utilizado para neutralização da solução final da conversão do glicerol a ácido lático, foram selecionados dois ácidos fortes para este estudo, ácidos sulfúrico e fosfórico (concentrações entre 5 mM e 20 mM). Por fim, foi realizado o tratamento da solução final da conversão do glicerol em ácido lático e esta foi submetida às melhores condições de processo determinadas na segunda etapa para, então, produzir ácido acrílico. O maior rendimento de ácido lático na primeira etapa foi igual a 73,2%, obtido com uma razão molar de NaOH/glicerol igual a 1,2 a uma temperatura de 290ºC, foi verificado um bom ajuste ao modelo cinético de primeira ordem desenvolvido a partir dos dados experimentais, sendo observado o maior coeficiente de determinação (R²) do modelo igual a 0,98, também foram determinados a energia de ativação e o fator pré-exponencial, respectivamente, iguais a 118,39 kJ.mol⁻¹ e 1,58x109 min⁻¹. O maior rendimento da desidratação de ácido lático em ácido acrílico foi de 24,7% obtido na temperatura de 300ºC e o ácido mineral escolhido para a neutralização na terceira etapa foi o ácido fosfórico concentrado, no qual foi utilizado um volume suficiente para neutralizar a solução da primeira reação. A investigação da conversão do ácido lático, formado no processamento hidrotérmico alcalino do glicerol, em ácido acrílico, resultou em um rendimento de 23,8% em ácido acrílico, ou seja, resultado semelhante ao obtido pelo ácido lático comercial (igual a 24,7%). CAPES Glycerol is a chemical of great industrial importance because it is widely used in key sectors, like food, cosmetic, pharmaceutical and others. The restructuring of the global energy model, which progressively invests in Green Economy, has resulted in excess glycerol in the market, as it is the largest by-product of the biodiesel industry. In order to contain depreciation and add value to the product, new research was published on the conversion of glycerol into higher value-added compounds, such as lactic acid, which has acquired some relevance for having promising applications, such as the production of poly(lactic acid) and acrylic acid. The aim of this research is to develop the hydrothermal processing for the production of acrylic acid by converting lactic acid produced by the conversion of glycerol. The present study was divided in three stages, firstly the study of the alkaline hydrothermal conversion of a 100 g.L⁻¹ solution of glycerol into lactic acid was carried out, the influence of the molar ratio of sodium hydroxide/glycerol (between 1.0 and 1.4) and the temperature (between 280ºC and 320ºC) in the yield of the product was verified. The first order kinetic model was also developed for this process. In the second step, the influence of temperature (280ºC to 320ºC) on the hydrothermal dehydration of commercial lactic acid (50 g.L⁻¹) in acrylic acid was evaluated, furthermore the mineral acid used to neutralize the final glycerol conversion solution was determined. Two strong mineral acids were selected for this study, sulfuric and phosphoric acids (concentrations between 5 mM and 20 mM). Lastly, the treatment of the final solution of the conversion of glycerol to lactic acid was carried out, and then this solution was submitted to the best process conditions determined in the second stage to produce acrylic acid. The highest yield of lactic acid in the first step was 73.2%, obtained with a molar ratio of 1.2 at a temperature of 290°C; a good adjustment of the kinetic model developed from the experimental data was verified, with the highest coefficient of determination (R²) of the model equal to 0.98. The activation energy and the pre-exponential factor were also determined and, respectively, equal to 118.39 kJ.mol⁻¹ and 1.58x109 min⁻¹. The highest yield of dehydration of lactic acid in acrylic acid was 24.7% obtained at the temperature of 300°C and the mineral acid chosen for neutralization in the third step was phosphoric acid, in which a sufficient volume was used to neutralize the solution of the first reaction. The investigation of the conversion of lactic acid from the hydrothermal treatment of glycerol to acrylic acid resulted in a yield of 23.8% of acrylic acid, that is, a result similar to that obtained by commercial lactic acid (equal to 24.7%).