Efecto de promotores K y Sb en la cinética de oxidación de furfural a anhídrido maleico.

Abstract

El desafío actual de detener el cambio climático ha generado la necesidad urgente de reducir el uso de recursos fósiles en la síntesis de intermediarios químicos. El anhídrido maleico, ampliamente utilizado en la química industrial, actualmente se produce a partir de recursos no renovables como el benceno y el n-butano. Sin embargo, se están explorando técnicas que emplean recursos renovables, específicamente el furfural, que puede ser obtenido a partir de biomasa lignocelulósica, para su producción. Catalizadores de vanadio soportado y promovidos con diversos elementos han sido estudiados para la reacción de oxidación selectiva de furfural hacia anhídrido maleico en fase gaseosa. El objetivo de este trabajo es analizar el efecto de K y/o Sb como promotores en la actividad, selectividad, rendimientos y conversión de catalizadores de V2O5/T iO2 utilizados para la oxidación parcial de furfural a anhídrido maleico, para ello se caracterizaron las propiedades químicas y estructurales de los mismos a través análisis BET, TPR, XRD y SEM-EDS. Se comparó la influencia de K y/o Sb en el desempeño catalítico de los catalizadores de V2O5/T iO2 y se sugirieron las posibles razones fisicoquímicas detrás su comportamiento. Se sintetizaron catalizadores de V2O5/T iO2 con cargas másicas de 0,1 y 0,4% de K y Sb y un catalizador con 0,28 y 0,86% de K y Sb respectivamente. Se realizaron pruebas cinéticas en un rector de lecho fijo, variando la temperatura, a flujo volumétrico de 60 ml/min y razón de O2/Fur = 20 constantes. Mediante caracterizaciones, se determinó que la estructura de los catalizadores se ve principalmente influenciada por el soporte, las cargas másicas fueron las esperadas y la distribución de los promotores fue la óptima. Se observó que los promotores afectan las propiedades redox de los catalizadores: Sb aumenta el consumo de H2 mientras que K lo disminuye. La adición de Sb benefició a la reacción, siendo el catalizador con 0,4% en Sb el que exhibió el mejor comportamiento, con una selectividad hacia anhídrido maleico del 49 %. Los catalizadores con peor desempeño fueron los catalizadores con 0,4% en potasio y el catalizador con ambos promotores, mostrando selectividades nulas hacia anhídrido maleico. Se concluyó que Sb posee efectos promotores para la reacción de oxidación parcial del furfural hacia anhídrido maleico, debido a su rol como donador de oxígeno, aislamiento de sitios, formación de especies selectivas hacia AM y disminución en la acidez de la superficie. Mientras que K induce efectos adversos, favoreciendo productos de combustión gracias a la formación de sitios inactivos. Adicionalmente, se recomendaron caracterizaciones adicionales para determinar con mayor exactitud los efectos químicos de la adición de promotores a catalizadores de V2O5/T iO2.

Stoping climate change is one of the challeges we face today, such challenge has generated the urgent need to reduce the use of fossil fuels in the synthesis of chemical intermediates. Maleic anhydride, a widely used compound in the chemical industry, is nowadays produced from benzene and n-butane, both non-renewable resources. Nevertheless, there has been investigation into certain techniques that utilize renewable resources, such as furfural for its production. Supported vanadium catalysts promoted with certain elements have been studied for the gasphase partial oxidation of furfural to maleic anhidride. In this study, the objective was to analyze the effects on activity, selectivity, yields, and conversion in V2O5/T iO2 catalysts with K and/or Sb as promoters used in the gas-phase partial oxidation of furfural to maleic anhydride. Chemical and structural properties were characterized using BET, TPR, XRD, and SEM−EDS. The influence of K and/or Sb on the catalytic performance of V2O5/T iO2 catalysts was compared, and possible physicochemical reasons behind the behavior of catalysts promoted with K and/or Sb at mass loadings of 0.1-0.86% were suggested. V2O5/T iO2 catalysts with 0.1 and 0.4 wt% of K or Sb were prepared, as well as a sample containing 0.28 and 0.85 wt% of K and Sb, respectively. Kinetic evaluations were carried out using a fixed-bed reactor at various temperatures, maintaining a constant volumetric flow of 60 ml/min and an O2/fur ratio of 20. Through characterizations, it was determined that the catalyst structure was mainly influenced by the support. The loadings turned out as expected, and the distribution of promoters was even. It was observed that promoters affect the redox properties of the samples: Sb increases H2 consumption while K decreases it. Sb addition was beneficial to the reaction. Specifically, catalysts with 0.4wt% Sb exhibited the best catalytic performance, achieving selectivities of 48.84% for maleic anhydride, whereas catalysts with 0.4wt% K and the one containing both Sb and K showed the least catalytic activity, with selectivity values equal to zero for maleic anhidride. It was concluded that Sb has a promoting effect on the gas-phase partial oxidation of furfural to maleic anhydride due to its diverse effects on active species, while K showed counterproductive effects, favoring combustion products due to the formation of inactive sites. Additional characterizations were proposed to precisely determine the chemical effects of promoter addition on V2O5/T iO2 catalysts.