Diseño de catalizadores ZnAl-Zr tipo hidrotalcita para la transesterificación de aceite de soya

Abstract

This thesis analyzed the effect of the Zr incorporation in the crystalline, basic and catalytic properties of ZnAl hydrotalcite-type material when it is applied in the transesterification reaction of soybean oil. ZnAl-Zr(X) catalysts were synthesized by co-precipitation using a fixed Zn/Al molar ratio of 2, and varying Zr/Al(X) molar ratio, being X=0.0, 0.10 and 0.25. The suitable activation temperature of the samples was determined heating them at 100, 150, 200 and 250ºC during 6 h, it was found the biggest basic sites concentration and catalytic activity at 200ºC. This result represents an advance in the research of ZnAl materials, due to the important reduction in the activation temperature (400ºC) typically reported on catalysts when are applied in the transesterification reaction of oils. The physicochemical characterization indicates the appropriate formation of the ZnAl-Zr lamellar double hydroxides, being the Zr+4 addition in the hydrotalcite framework by the Al+3 replacement. The activation of ZnAl-Zr(X) at 200ºC provoked the formation of a mixture of crystalline phases: hydrotalcite, hydrozincite and zincite, which favored an increase in the FAME yield. Additionally, the Zr incorporation generated an increase in the concentration of Brönsted basic sites and Lewis acid-basic pairs of the ZnAl-Zr(X) hydrotalcites. This was related to the biggest abundance of aluminum in tetrahedral and pentahedral coordination of ZnAl-Zr(0.25). The relationship between the crystalline phases and their basic properties explains why ZnAl-Zr(X) catalysts activated at 200ºC showed a better catalytic activity, which has not been already reported in the specialized literature.

En esta tesis se analizó el efecto que tiene la incorporación de Zr en las propiedades cristalinas, básicas y catalíticas del material tipo hidrotalcita ZnAl al emplearse como catalizadores para la reacción de transesterificación de aceite de soya. Los materiales ZnAl-Zr(X) se sintetizaron mediante el método de co-precipitación utilizando una relación molar fija de Zn/Al=2 y variando la relación Zr/Al (X)=0.0, 0.10, 0.25. Para determinar la temperatura adecuada de activación, las muestras fueron calentadas a 100, 150, 200 y 250 °C durante 6 h; obteniéndose a 200 °C la mayor concentración de sitios básicos y actividad catalítica. Esto representa un avance en el estudio de los materiales ZnAl, al obtenerse una disminución significativa de la temperatura de activación (400 °C) típicamente empleada en catalizadores para la reacción de transesterificación de aceites. La caracterización fisicoquímica indica la adecuada formación de hidróxidos dobles laminares del tipo ZnAl-Zr, donde la adición de Zr+4 en la hidrotalcita se efectuó vía la sustitución de Al+3. La activación de ZnAl-Zr(X) a 200 °C provocó la formación de una mezcla de fases cristalinas: hidrotalcita, hidrocincita y zincita lo que favoreció un mayor rendimiento a métil ésteres de ácidos grasos. Asimismo, la incorporación de Zr generó un aumento en la concentración de sitios básicos de Brönsted y pares ácido-base de Lewis de las hidrotalcitas ZnAl-Zr(X), que se relaciona con la mayor abundancia de aluminio en coordinación tetraédrica y pentaédrica en ZnAl-Zr(0.25). La relación entre la existencia de fases cristalinas y sus propiedades básicas explica el por qué los materiales ZnAl-Zr(X) activados a 200 °C presentan una mayor actividad catalítica con respecto a lo reportado en la literatura especializada.