Catalyst development for conversion of glucose to 5-hydroxymethylfurfural (HMF)

Abstract

Günümüzde enerjiye duyulan ihtiyacın artmasına paralel olarak son yıllarda alternatif enerji kaynaklarına olan ilgi de artmıştır. 5-hidroksimetil furfural (HMF), karbonhidratları yakıt kimyasalına götüren önemli ara ürünlerden biridir. Önerilen bu çalışmada ise selülozun ana birimi olan glikozun HMF ye dönüşümü için etkin olabilecek katı katalizörler hazırlanması ve bu katalizörlerle farklı çözücü ortamlarında HMF üretimi hedeflenmiştir.Çalışmada öncelikli olarak glikozun HMF'ye dönüşümünü sağlayacak katalizörler hazırlanmıştır. Destek malzemesi olarak zeolit, montmorillonit gibi gözenekli yapılar seçilerek Cr esaslı katalizörler hazırlanmıştır. Hazırlanan katalizörler kullanılarak glikozun HMF'ye dönüşüm reaksiyonları 100-150 oC sıcaklık aralığında ve 10-120 dk. aralığında değişen sürelerde 5 ml hacimli cam balonlarda 500 devir/dk hızla karıştırılarak gerçekleştirilmiştir. Çözücü olarak BMIMCl iyonik sıvı ve Dimetilsülfoksid (DMSO) kullanılarak çözücü değişiminin reaksiyonlar üzerine etkisi incelenmiştir. Reaksiyonlar sonucu sıvı ürün analizi için Yüksek Performanslı Sıvı Kromotografi cihazı (HPLC) kullanılmıştır. Katalizörlerin ortamdan filtrasyonla ayrılarak yıkanıp kurutulmasının ardından tekrar kullanılabilirliliği birkaç defa test edilmiştir. Katalizörlerin metal miktarlarının belirlenmesi için İndüktiv Kapling Plazma-Kütle Spektrometresi (ICP-MS), yüzey alanları için BET metodu, faz yapıları için X-Işını Kırınımı (XRD) ve yüzey bilgileri için X-Işını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) kullanılmıştır. HMF oluşum reaksiyonları sonucunda Cr esaslı zeolit ve bentonit katalizörlerinin etkinliğinin daha yüksek olduğu ve reksiyon sıcaklığının artmasıyla HMF veriminin arttığı belirlenmiştir.

Recently, the interest becoming alternative energy source have increased in addition to demand increasing energy. 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) is one of the important intermediate products converting carbohydrates into fossil fuels. In this suggested study, the main objectives are to design solid acid catalysts which will be effective in the conversion of glucose, which is the main unit of cellulose, and produce HMF in the different solvent medium with this catalysts.Firstly, in the study catalysts which will provide with conversion of glucose into HMF have been prepared. After porous structures such as montmorillonite, zeolite are selected as support metarial, Cr based catalysts were been prepared. the prepared catalysts were used in the range of 100-150 oC temperature and 10-120 min. Varying duration, glucose to HMF conversion reactions were carried out in 5 ml volume flask with mixing speed 500 rpm. When BMIMCl ionic liquids and dimethyl sulfoxide (DMSO) were used as solvent, solvent effect on reaction was examined. At the end of reactions, High-Performance Liquid Choromatography (HPLC) instrument was used in order to analyse the liquid product. After catalysts were separated by filtration, washed and dried. Reusability of catalysts were tested a few times. Inductively Coupling Plasma-Mass Spectrometry(ICP-MS), BET method, X-Ray Diffreaction (XRD) and X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) were used so as to determine the metal amounts of catalysts, surface areas, phase structures and surface information respectively. At the end of HMF formation reactions, that HMF yield increased with increasing temperature was determinated. The activity of Cr based zeolite and bentonite catalysts are higher than others.