Reforma eletroquímica de glicerol em sistema ácido-alcalino com catalisadores de paládio

dc.contributor.advisor-co1Gambetta, Rossano
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4274171691391935
dc.contributor.advisor1Leon, José Joaquín Linares
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/5126547270872842
dc.contributor.referee1Leon, José Joaquín Linares
dc.contributor.referee2Colmati Júnior, Flávio
dc.contributor.referee3Silva, Fábio Moreira da
dc.creatorLino, Fernando Miguel de Amorim
dc.creator.Latteshttps://lattes.cnpq.br/8882224727269096
dc.date.accessioned2024-10-18T16:48:47Z
dc.date.available2024-10-18T16:48:47Z
dc.date.issued2023-09-20
dc.description.abstractIn the incessant search for change in the energy model by reducing the dependence on fossil fuels, hydrogen is gaining importance as an energy vector and lever to replace combustion engines with fuel cells. Nevertheless, producing hydrogen from non-fossil fuel sources is still a challenge, with an emphasis on electrolytic hydrogen. To close the green cycle, it is possible to connect hydrogen production to renewable sources to supply the required energy. A shortcoming of this process is the high price of the electrolytic hydrogen, between 3.4 and 12 USD per kg, according to the International Energy Agency in its 2023 annual report about the global status of hydrogen technologies (INTERNATIONAL ENERGY AGENCY, 2023), three times higher than “fossil” H2. To boost green hydrogen development, alternatives are mandatory to reduce the cost of electrolytic hydrogen. This dissertation presents an alternative by developing and optimizing an acid-alkaline glycerol electrochemical reformed to cogenerate hydrogen and electricity by applying a transmembrane pH gradient through a Cation Exchange Membrane. Moreover, this work proposes valorizing the endocarp and shell of the macauba wastes to obtain carbon support by hydrothermal treatment. The prepared materials were characterized by measuring the surface area, pore size distribution, functional groups, and the degree of defects and crystallinity. All the used supports were chemically functionalized by treating them with sulfuric, nitric, chlorohydric acid, and hydrogen peroxide to add oxygenated surface groups. With these supports, Pd/C electrocatalysts were prepared by chemical reduction with sodium formate in alkaline medium. The Pd/C electrocatalysts were characterized by X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, Transmission Electron Microscopy, and quantifying the electrochemically active surface area by CO stripping. Vulcan XC-72 carbon black was used as a reference support, following the same protocol as the macauba carbon supports. The preliminary electrochemical results evidenced the potential of the alternative carbon supports, stimulating their ulterior application in the acid-alkaline electrochemical reformer. The temperature and the flow rate were optimized, taking the hydrogen produced as the output variable. Preliminary electroreforming experiments under the optimum conditions were galvanostatically carried out, evaluating the amount of hydrogen, electricity, and glycerol oxidation products obtained. With the best Pd/C material (Vulcan XC-72 treated with hydrogen peroxide), it was possible to produce 0.528 Nm3 m-2 h -1 of H2 with a concomitant energy of 0.725 kWh m-2 . In addition, it was possible to obtain high-added-value products such as glyceric, tartronic, and oxalic acid as the most abundant glycerol electro-oxidation products. The system demonstrated to be an alternative for glycerine valorization, the main by-product of biodiesel synthesis, capable of diversifying the portfolio (hydrogen and fine chemicals) of this industry with direct implications on the cash flow and the process sustainability. Finally, xi this work also evidences the feasibility of using activated carbon from the thermochemical valorization of lignocellulosic wastes from the macauba processing (endocarp and shell).eng
dc.description.resumoNa incessante busca por mudar a atual matriz energética global, principalmente mediante a redução da dependência das fontes fósseis, o hidrogênio vem ganhando importância como vetor energético e alavancando a substituição dos motores a combustão por células a combustível. Entretanto, o desafio técnológico está em produzir hidrogênio que não proceda de fontes fósseis, destacando-se o de origem eletrolítico. Para fechar o ciclo verde de sustentabilidade, é possível conectar a produção deste H2 a fontes renováveis de forma a fornecer a energia limpa necessária para sua produção. O custo atual do hidrogênio eletrolítica varia entre 3,4 a 12 USD por kg de acordo com dados da Agência Internacional da Energia em sua revisão sobre o status global das tecnologias do hidrogênio em 2023 (INTERNATIONAL ENERGY AGENCY, 2023), valores três vezes superiores ao H2 “fóssil”. Nesse sentido, para alavancar o desenvolvimento do hidrogênio verde são necessárias alternativas que permitam a desoneração do custo do hidrogênio eletrolítico. Este trabalho apresenta uma alternativa tecnológica mediante o desenvolvimento e otimização de um sistema de reforma eletroquímica ácido-alcalino de glicerol para cogerar hidrogênio e eletricidade, mediante a aplicação de um gradiente de pH transmembrana com emprego de uma membrana de troca catiônica (Cation Exchange Membrane). Além disto, este trabalho propõe valorar o endocarpo e a casca do fruto da macaúba e sua utilização como suportes carbonáceos. Os materiais carbonosos foram caracterizados quanto à área superficial, distribuição do tamanho de poros, grupos funcionais e grau de defeitos e cristalinidade. Todos os suportes empregados foram submetidos a funcionalização química com soluções de ácidos sulfúrico, nítrico, clorídrico e de peróxido de hidrogênio com o intuito de gerar grupos oxigenados superficiais. Com os referidos suportes, foram produzidos eletrocatalisadores de Pd/C pelo método de redução com ácido fórmico em meio alcalino. Os eletrocatalisadores de Pd/C foram caracterizados por difração de raios-X (DRX), espectroscopia de fotoelétrons por raios-X (XPS), microscopia eletrônica de transmissão (MET) e em área eletroquimicamente ativa mediante eletro-oxidação de CO previamente adsorvido na superfície do Pd (stripping de CO). Como referencial suporte, foi usado o negro de fumo Vulcan XC-72 seguindo o mesmo protocolo que os carvões oriundos dos resíduos do fruto da macaúba. Os resultados preliminares evidenciam o potencial dos suportes carbonosos alternativos justificando sua aplicação como anodo em reformador eletroquímico ácido-alcalino. Otimizou-se a vazão e a temperatura de operação tendo como variável resposta a produção de hidrogênio. Realizaram-se experimento preliminares de reforma sob as condições ótimas em condições galvanostáticas, sendo avaliada a produção de hidrogênio, de eletricidade, junto com os produtos obtidos da eletro-oxidação do glicerol. Com o material Pd/C com melhor performance (Vulcan XC-72 tratado com peróxido de hidrogênio), foi ix possível obter uma produção de H2 de 0,528 Nm3 m-2 h -1 com uma produção de energia concomitante de 0,725 kWh m-2 . Além disto, foi possível obter produtos de maior valor agregado como o ácido glicérico, tartrônico e oxálico na eletroxidação do glicerol. O sistema eletrolítico mostrou-se uma alternativa à valoração da glicerina, principal subproduto de produção de biodiesel, capaz de diversificar o portifólio de produtos (hidrogênio e produtos de química fina) dessa indústria com implicações diretas no fluxo de caixa e na sustentabilidade do processo. Além disso, este trabalho também demonstra a viabilidade do uso de carvão ativado obtido de valoração termoquímica de resíduos lignocelulósicos do processamento do fruto da macaúba (endocarpo e casca).
dc.description.sponsorshipOutro
dc.identifier.citationLINO, F. M. A. Reforma eletroquímica de glicerol em sistema ácido-alcalino com catalisadores de paládio. 2023. 132 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Instituto de Química, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2023.
dc.identifier.urihttp://repositorio.bc.ufg.br/tede/handle/tede/13552
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal de Goiás
dc.publisher.countryBrasil
dc.publisher.departmentInstituto de Química - IQ (RMG)
dc.publisher.initialsUFG
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Engenharia Química (IQ)
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectReformador ácido-alcalinopor
dc.subjectMacaúbapor
dc.subjectCarvão ativadopor
dc.subjectEletrocatálisepor
dc.subjectGlicerinapor
dc.subjectHidrogêniopor
dc.subjectAcid-alkaline reformereng
dc.subjectActivated charcoaleng
dc.subjectElectrocatalysiseng
dc.subjectGlycerineng
dc.subjectValorizationeng
dc.subjectHydrogeneng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
dc.titleReforma eletroquímica de glicerol em sistema ácido-alcalino com catalisadores de paládio
dc.title.alternativeElectrochemical reform of glycerol in acid-alkaline system with palladium catalystseng
dc.typeDissertação

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