biomasa, kataliza, zeolity, kwas mlekowy, kwas akrylowy
biomass, catalysis, zeolites, lactic acid, acrylic acid
W ramach niniejszej rozprawy doktorskiej zaprojektowano katalizatory zeolitowe dla selektywnych procesów konwersji biomasy do kwasu mlekowego i akrylowego. Badania wykonano dualnie poprzez połączenie części doświadczalnej
z obliczeniami teoretycznymi przy pomocy metody DFT.
W części doświadczalnej przeprowadzono modyfikację zeolitów BEA i klinoptylolitu (CLI) poprzez wprowadzenie w ich struktury metali takich jak Sn, Fe, Cu, Co oraz Zn, na drodze wymiany jonowej w warunkach hydrotermalnych oraz przy udziale techniki sonikacji. Właściwości fizykochemiczne katalizatorów zeolitowych scharakteryzowano przy udziale technik analitycznych: BET, XRD, DRS UV-VIS.
Pomiary aktywności katalitycznych funkcjonalizowanych zeolitów przeprowadzono podczas procesów w fazie ciekłej - konwersję dihydroksyacetonu (DHA) do kwasu mlekowego (LA) oraz gazowej - reakcję dehydratacji kwasu mlekowego do kwasu akrylowego (AA). Uzyskane produkty powstałe w procesach katalitycznych, analizowano przy udziale chromatografii gazowej (GC).
Z kolei w części teoretycznej zastosowano metodę DFT i zamodelowano struktury katalizatorów zeolitowych na osnowie BEA oraz CLI. Do obliczeń teoretycznych użyto model klasterowy - formy idealnej oraz hierarchizowanej, gdzie wprowadzono metaliczne kompleksy w postaci dimerów -M-O-M- (M = Sn, Fe, Cu i Co). Zamodelowano również proces dehydratacji kwasu mlekowego do akrylowego oraz porównano aktywność katalityczną poszczególnych materiałów zeolitowych.
In this doctoral dissertation, zeolite catalysts for selective biomass conversion processes into lactic and acrylic acid were designed. The research was carried out in two ways by combining the experiment with theoretical calculations using the DFT method.
In the experimental part, a series of catalysts were obtained, where the matrix was made of synthetic BEA zeolite and of natural origin clinoptilolite (CLI). Functionalization of zeolites by introducing metals such as Sn, Fe, Cu, Co and Zn into their structures was carried out by ion exchange in hydrothermal conditions and with the use of sonication technique. The physicochemical properties of zeolite catalysts were characterized using the following analytical techniques: BET, XRD, DRS UV-VIS.
Measurements of the catalytic activity of functionalized zeolites were carried out during the processes in the liquid phase - the conversion of dihydroxyacetone (DHA) to lactic acid (LA) and gas phase - the dehydration reaction of lactic acid to acrylic acid (AA). The obtained products, formed in catalytic processes, were analyzed with the use of gas chromatography (GC).
In turn, in the theoretical part, the DFT method was used and the structures of zeolite catalysts based on BEA and CLI were modeled. For theoretical calculations, a cluster model was used - ideal and hierarchical form, where metallic complexes in the form of dimers - M-O-M- (M = Sn, Fe, Cu and Co) were introduced. The process of dehydration of lactic acid to acrylic acid was also modeled and the catalytic activity of individual zeolite materials was compared.
