Two series of mixed oxide catalysts with nominal composition M13-xM2xO4 have been synthesized with non-noble metals, wherein M1=Co and M2=Fe or M1=Cu and M2=Mn, by cost effective co-precipitation method. Each serie consists of 5 catalysts with the cation fractions M2/(M1+M2) of 0.00, 0.33, 0.50, 0.67, 1.00. The catalysts have been characterised using XRD, EDX, N2 physisorption, FT-IR, UV-VIS, TEM and TPR techniques, then employed in the successive oxidation reactions of biomass derived 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to several value added chemicals, which have a diverse portfolio of applications in various industries, including maleic anhydride (MA), 2,5-furandicarboxaldehyde (DFF), 5-Hydroxymethyl-2-furancarboxylic acid (HMFCA), 5-formyl-2-furancarboxylic acid (FFCA) and 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), which can serve as an alternative substitute for fossil fuel derived terephthalic acid in the production of polyethylene terephthalate (PET) plastics. The oxidation reaction products of HMF were analyzed by HPLC then kinetics study has been performed. The ultimate goal is not only to investigate the correlations between physicochemical properties and catalytic performances of the aformentioned catalysts on the complex cascade HMF to FDCA oxidation process but also to make a humble contribution to the scientific literature for a sustainable, renewable and greener world.

Due serie di catalizzatori a base di ossidi misti con composizione nominale M13-xM2xO4 sono stati sintetizzati con metalli non nobili, in cui M1=Co e M2=Fe o M1=Cu e M2=Mn, con il metodo della co-precipitazione. Ogni serie è composta da 5 catalizzatori con rapporti tra i cationi pari a M2/(M1+M2) 0.00, 0.33, 0.50, 0.67, 1.00. I catalizzatori sono stati caratterizzati attraverso tecniche XRD, EDX, fisisorbimento di N2, FT-IR, UV-VIS, TEM e TPR, e successivamente testati nelle reazioni di ossidazione del 5-idrossimetilfurfurale (HMF) derivante da biomasse a diversi intermedi ad elevato valore aggiunto, che hanno importanti applicazioni in vari settori dell’industria chimica, tra cui l'anidride maleica (MA), la 2,5-furandicarboxaldeide (DFF), l'acido 5-idrossimetil-2-furancarbossilico (HMFCA), e l’acido 5-formil-2-furancarbossilico (FFCA) e l’acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA), che è importante come un sostituto alternativo all’acido tereftalico derivato da materie prime fossili per la produzione di polietilenetereftalato (PET). I prodotti di reazione derivanti dall’ossidazione del HMF sono stati analizzati mediante HPLC ed è stato eseguito un approfondito studio cinetico. L'obiettivo finale è stato non solo quello di trovare una correlazione tra proprietà fisico-chimiche ed attività catalitica dei catalizzatori presi in esame per la complessa trasformazione dell’HMF a FDCA, ma anche quello di dare un contributo consistente ai processi chimici industriali alla base di uno sviluppo sostenibile della società.

Biomass Valorization for the Production of Value-Added Chemicals and Bio-Fuels

DEMET, ATIF EMRE
2017-04-03

Abstract

Due serie di catalizzatori a base di ossidi misti con composizione nominale M13-xM2xO4 sono stati sintetizzati con metalli non nobili, in cui M1=Co e M2=Fe o M1=Cu e M2=Mn, con il metodo della co-precipitazione. Ogni serie è composta da 5 catalizzatori con rapporti tra i cationi pari a M2/(M1+M2) 0.00, 0.33, 0.50, 0.67, 1.00. I catalizzatori sono stati caratterizzati attraverso tecniche XRD, EDX, fisisorbimento di N2, FT-IR, UV-VIS, TEM e TPR, e successivamente testati nelle reazioni di ossidazione del 5-idrossimetilfurfurale (HMF) derivante da biomasse a diversi intermedi ad elevato valore aggiunto, che hanno importanti applicazioni in vari settori dell’industria chimica, tra cui l'anidride maleica (MA), la 2,5-furandicarboxaldeide (DFF), l'acido 5-idrossimetil-2-furancarbossilico (HMFCA), e l’acido 5-formil-2-furancarbossilico (FFCA) e l’acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA), che è importante come un sostituto alternativo all’acido tereftalico derivato da materie prime fossili per la produzione di polietilenetereftalato (PET). I prodotti di reazione derivanti dall’ossidazione del HMF sono stati analizzati mediante HPLC ed è stato eseguito un approfondito studio cinetico. L'obiettivo finale è stato non solo quello di trovare una correlazione tra proprietà fisico-chimiche ed attività catalitica dei catalizzatori presi in esame per la complessa trasformazione dell’HMF a FDCA, ma anche quello di dare un contributo consistente ai processi chimici industriali alla base di uno sviluppo sostenibile della società.
On a synthétisé deux séries de catalyseurs d'oxydes mixtes de composition nominale M13-xM2xO4 avec des métaux non nobles, dans laquelle M1=Co et M2=Fe ou M1=Cu et M2=Mn, par un procédé de co-précipitation rentable. Chaque série se compose de 5 catalyseurs avec les fractions cationiques M2/(M1+M2) de 0,00, 0,33, 0,50, 0,67, 1,00. Les catalyseurs ont été caractérisés en utilisant les techniques de XRD, EDX, physisorption de N2, FT-IR, UV-VIS, TEM et TPR, puis utilisés dans les réactions d'oxydation successives de la 5-hydroxyméthylfurfural dérivée de la biomasse (HMF) vers plusieurs produits chimiques à valeur ajoutée qui ont Un large éventail d'applications dans diverses industries. Ces produits comprennent l'anhydride maléique (MA), le 2,5-furandicarboxaldéhyde (DFF), l'acide 5-hydroxyméthyl-2-furancarboxylique (HMFCA), l'acide 5 formyl-2 furancarboxylique (FFCA) , L'acide 5-furandicarboxylique (FDCA), qui peut servir de substitut alternatif à l'acide téréphtalique dérivé du combustible fossile dans la production de plastiques de poly (éthylène téréphtalate) (PET). Les produits de réaction d'oxydation de HMF ont été analysés par CLHP puis une étude cinétique a été réalisée. Le but ultime est non seulement d'étudier les corrélations entre les propriétés physico-chimiques et les performances catalytiques des catalyseurs mentionnés sur le processus d'oxydation en cascade complexe de HMF à FDCA, mais aussi d'apporter une contribution modeste à la littérature scientifique pour un monde durable, renouvelable et plus vert.
Biomass, valorisation, 5-hydroxymethylfurfural, HMF, 2,5-furandicarboxylic acid, FDCA, spinel, cobalt-iron, copper-manganese
Valorizzazione biomassa, 5-idrossimetilfurfurale, HMF, acido 2,5-furandicarbossilico, FDCA, struttura spinello, cobalto-ferro, rame-manganese
Biomasse, valorisation, 5-hydroxyméthylfurfural, HMF, acide 2,5-furandicarboxylique, FDCA, spinelle, cobalt-fer, cuivre-manganèse
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