Síntesis de hidrochar a partir de yerba mate usada para su empleo en catálisis

MARUSYN, SUMARA D.; AGUZÍN, FEDERICO L.; OKULIK, NORA B.

Sáenz Peña

Jornada; Jornadas provinciales de investigación 2023; 2023

Universidad Nacional del Chaco Austral (UNCAUS)

La yerba mate usada es un subproducto abundante en la preparación de infusiones en Argentina. La síntesis de hidrochar (HC) a partir de yerba mate usada para uso en catálisis es un enfoque prometedor en el campo de la conversión de biomasa. Esta síntesis denominada carbonización hidrotermal (HTC, Hydro Thermal Carbonization) es un proceso termoquímico mediante el cual la biomasa se trata en un ambiente acuoso a temperaturas de 180 a 300 °C y presión autógena a partir de una amplia gama de desechos orgánicos como basura, biosólidos, residuos agrícolas y desechos orgánicos de operaciones industriales. El hidrochar es hidrofóbico, no tóxico y puede usarse como carbón activado, combustible sólido, adsorbente para el tratamiento de aguas residuales y como catalizador. La síntesis de hidrochar a partir de yerba mate presenta varias ventajas. En primer lugar, la yerba mate usada es un recurso renovable y de bajo costo, lo que la convierte en una opción atractiva desde el punto de vista económico y ambiental. Además, el hidrochar resultante tiene propiedades estructurales y químicas únicas, que permiten su uso como catalizador en diversas reacciones químicas, como la producción de biogás, la síntesis de productos químicos, la remoción de contaminantes en aguas residuales, entre otros. Su capacidad para actuar como soporte de catalizador y su área superficial facilitan la actividad catalítica y promueven la selectividad de las reacciones. Esta propuesta sostenible y de bajo costo tiene el potencial de contribuir significativamente a la valorización de la biomasa y a la búsqueda de soluciones más sostenibles en el campo de la catálisis. Con este contexto se planteó la utilización de la yerba mate usada como materia prima para la síntesis de hidrochar por HTC para su empleo como catalizador en la producción de dietil succinato en la reacción de esterificación de ácido succínico (AS) con etanol (EtOH). Con este objetivo la metodología aplicada para obtener el HC fue el pretratamiento de la yerba mate usada por calentamiento en estufa a 90 °C por 12 h para secar la misma. La yerba mate seca se trituró para obtener un sólido con una distribución más uniforme de partículas. Para llevar a cabo la HTC se usó un autoclave de acero inoxidable con revestimiento de teflón en el cual se agregan 5 g de la yerba mate seca triturada y 30 mL de agua desionizada. El autoclave una vez cerrado se montó en el soporte rotatorio de un horno eléctrico y se calentó a 220 °C por 5 h con una velocidad de rotación de 8 rpm. Al finalizar la HTC se obtuvo una mezcla heterogénea que se filtró y luego el sólido obtenido se enjuagó con varios volúmenes de agua desionizada a 90 °C. Seguido el sólido se suspendió en etanol absoluto y se calentó hasta 70 °C durante 30 minutos y posteriormente se filtró y enjuagó con agua desionizada para finalmente ser secado en estufa durante 12 h. El HC resultante se pesó para calcular el rendimiento de sólido. Siguiendo esta metodología fueron sintetizados tres HC denominados aquí como: HC-S, HC-P y HC-SS. El HC-S se obtuvo adicionando 0,5 mL de H2SO4 a la mezcla inicial de agua y biomasa y el HC-P se obtuvo por adición de 0,5 mL de H3PO4 a la mezcla inicial de agua y biomasa. Mientras que el HC-SS se obtuvo a partir de HC-S que fue tratado con una solución de H2SO4 y etanol en reflujo que luego fue filtrado y enjuagado con agua desionizada. Estos tres HC y la resina comercial Amberlyst 36 (A36) se probaron en la esterificación de AS con EtOH para determinar su actividad catalítica. Los catalizadores, previo a su uso en reacción, se calentaron a 80 °C durante 12 h. Estas reacciones se llevaron a cabo en viales de vidrio cargando el AS y el EtOH con una relación molar 1:20 (ácido:alcohol) y el catalizador con una masa del 1% en peso respecto de la suma de la masa de los reactivos. El vial cargado sé calentó a 80 °C en un baño seco y agitado con un buzo magnético durante 3 h. De cada reacción se tomó una muestra y se la diluyó en agua desionizada para cuantificar el AS y sus ésteres con un equipo de HPLC Thermo ScientificTM modelo UltiMateTM 3000 equipado con una columna C18 de 30 cm modelo Gemini® de Phenomenex®, y un detector de arreglo de diodos. Los resultados de reacción mostraron que el HC-P y el HC-S son los menos activos con un 15 % de conversión de AS y un rendimiento nulo a DES. Con la resina A36 la conversión de AS fue del 49 % y un rendimiento a DES de 10 %. Mientras que el HC-SS fue el catalizador con mayor actividad con una conversión de AS del 80 % y un rendimiento a DES del 25 %. Estos resultados son prometedores, sin embargo, se prevén más estudios que incluyen ensayos de reusabilidad y caracterización de los catalizadores.