A STUDY OF LIGNIN DEPOLYMERIZATION BY SELECTIVE CLEAVAGE OF THE Cα-Cβ LINKAGES IN LIGNIN MODEL COMPOUNDS VIA BAEYER-VILLIGER OXIDATION Lignin is amorphous aromatic polymer derived from plants and is a potential source of fuels and bulk chemicals. Herein, we present a survey of reagents for selective stepwise oxidation of lignin model compounds. Specifically, we have targeted the oxidative cleavage of Cα-Cβ bonds as a means to depolymerize lignin and obtain useful aromatic compounds. In this work, we prepared several lignin model compounds that possess structures, characteristic reactivity, and linkages closely related to the parent lignin polymer. We observed that selective oxidation of benzylic hydroxyl groups using TEMPO/O2, followed by Baeyer-Villiger oxidation of the resulting ketones using H2O2, successfully cleaves the Cα-Cβ linkage in the model compounds. This process was also applied to depolymerization of Organosolv lignin. The deconstructed lignin was analyzed by a number of techniques, including ATR-IR, GPC, and 31P NMR of suitably derivatized samples. AN INVESTIGATION OF THE CHANNELING REACTION IN NITROGEN-DOPED MULTIWALLED CARBON NANOTUBES (N-MWCNTS) The reduction of nitrogen-doped multiwalled carbon nanotubes (N-MWCNTs) with Li/NH3 results in deep longitudinal cuts in the nanotubes structure. As the N-MWCNTs are anisotropic, we were able to investigate whether the unzipping process proceeds with equal efficiency from the tip end or from the root (catalyst) end of the N-MWCNT structure. To accomplish this we prepared polymer filled aligned arrays of N-MWCNTs, then exposed one or the other end. Through this approach we were able to shield the sidewalls and either end of the nanotubes from the Li/NH3 solution We have found that when the top end of the N-MWCNTs array was exposed to the reaction mixture, very few nanotubes suffered significant ‘unzipping’. However, when the root (substrate) side of the array is exposed to the reaction mixture, we observe the features characteristic of nanotubes with longitudinal cuts. Our finding provides some insight into the mechanism of the unzipping process, and provides evidence that the unzipping process has a directional preference-unzipping from the root end towards the tip end. And may provide a method for selective functionalization of the interior of tubes and create a new form of nanotube- based porous membrane.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / The coconut (Cocos nucifera) is a tropical fruit of high economic power in the Brazilian sphere being consumed largely in an immature stage that presents with a significant volume of coconut water. Associated with this market performance, it is remarkable the considerable amount of waste that this fruit when is consumed. The shell represents about 85% of the gross weight of the fruit and is associated with an increased resistance to degradation. The accumulation of this material contributes to the life of landfills decreases, making the problem of concern. Inserted in this issue of the reuse of biomass, coconut has been studied intended to application of high performance. Its physicochemical characterization was performed bringing the percentage of insoluble lignin result in the order of 28.27% which makes it compatible for extraction of this component. In this study, lignin was extracted from green coconut fiber for subsequent use in polyurethane. Targeting a process that does not destroys the fraction of sugars present, the process used to extract lignin was organosolv using acetic acid. The treatment showed an appreciable maximum yield of 78%, which can enable full utilization of the coconut fiber within a biorefinery approach. The lignin extracted by the method acetosolv was used as a source of hydroxyl for the production of polyurethane, since lignin is a amorphous aromatic polyphenol. Analysis by Nuclear Magnetic Resonance of Hydrogen (1H NMR) and Infrared (FTIR) showed characteristic profiles of lignin showing the extraction method was suitable for extraction of lignin. Polyurethane samples produced showed two degradation events in the ranges of 325  C and 400  C respectively, which is in agreement with the literature. Analysis by High Performance Liquid Chromatography of the solvent extraction and precipitation of lignin effluent showed the presence of furfural and hydroxymethylfurfural, where the first had a good production level of 604 mg in 10 g of coconut fiber. Thermal and spectroscopic characterizations were used to explore the behavior of the polyurethanes obtained. / O coco (cocos nucÃfera) à uma fruta tropical de elevado poder econÃmico na esfera brasileira, sendo consumido largamente no estado imaturo, fase em que se apresenta com um expressivo volume de Ãgua em seu interior. Associado a este desempenho mercadolÃgico, à notÃvel o enorme volume de resÃduo que este fruto deixa quando consumido. A casca corresponde a cerca de 85% do peso bruto do fruto e à associada a elevada resistÃncia à degradaÃÃo. O acÃmulo deste material contribui para que a vida Ãtil de aterros sanitÃrios diminua, tornando o problema preocupante. Inserido nesta temÃtica de reaproveitamento de biomassa, o coco foi estudado para se propor uma aplicaÃÃo de alto desempenho. A caracterizaÃÃo fÃsico-quÃmica do mesmo foi realizada, obtendo-se resultado percentual de lignina insolÃvel da ordem de 28,27% o que o torna compatÃvel para extraÃÃo deste componente. No presente trabalho, lignina foi extraÃda de fibras de coco verde para posterior utilizaÃÃo em poliuretano. Visando um processo que nÃo inutilizasse a fraÃÃo de aÃÃcares presentes, o processo utilizado para extraÃÃo de lignina foi o organossolve com a utilizaÃÃo de Ãcido acÃtico. O tratamento realizado mostrou um rendimento mÃximo apreciÃvel de 78%, o que pode possibilitar o aproveitamento integral da fibra de coco dentro de uma abordagem de biorrefinaria. A lignina extraÃda pelo processo acetossolve, foi utilizada como fonte de hidroxilas para produÃÃo de poliuretano, uma vez que a lignina consiste em um polifenol aromÃtico amorfo. As anÃlises por RessonÃncia MagnÃtica Nuclear de HidrogÃnio (NMR 1H) e Infravermelho (FTIR) apresentaram perfis caracterÃsticos da lignina, mostrando que o mÃtodo empregado foi adequado para a sua extraÃÃo. As amostras de poliuretano produzidas presentaram dois eventos de degradaÃÃo nas temperaturas de 325ÂC e 400ÂC, o que està de acordo com a literatura. A anÃlise por Cromatografia LÃquida de Alta EficiÃncia do solvente de extraÃÃo e do efluente de precipitaÃÃo da lignina mostrou a presenÃa de furfural e hidroximetilfurfural onde o primeiro apresentou um bom nÃvel de produÃÃo de 604mg em cada 10 g de fibra de coco. A termogravimetria mostrou 2 eventos caracterÃsticos de degradaÃÃo na regiÃo de 320 e 400ÂC e a anÃlise por FTIR mostrou uma reaÃÃo completa de grupos isocianatos.

A utilização de fibras vegetais como reforço de matrizes frágeis de cimento é justificada pelo baixo custo, alta disponibilidade, principalmente em países como o Brasil, que possui agricultura desenvolvida, boas condições edafo-climáticas e grandes áreas para cultivo. No entanto, em razão da alta alcalinidade do cimento a matriz reforçada tem a durabilidade comprometida pela degradação das fibras. Uma medida para minimizar esse ataque alcalino é a dissolução da lignina e da hemicelulose das fibras, menos resistentes em condições de pH elevado, através da polpação química, processo que individualiza as fibras celulósicas, que podem ser utilizadas como reforço de compósitos cimentícios em substituição parcial às fibras sintéticas. As polpas aplicadas para este fim são comumente produzidas pelo processo Kraft. Uma alternativa mais limpa a este processo é a polpação organossolve que usa reagentes orgânicos durante o cozimento e proporciona facilidade para recuperação do solvente no final do processo. O bambu possui fibras de elevada resistência mecânica, portanto sua utilização como matéria-prima para produção de polpas celulósicas é justificada por ser um material viável, de fácil aplicação, rápido crescimento e pronta disponibilidade. A proposta deste trabalho foi a produção de polpa de bambu pelo processo organossolve utilizando as variáveis tempo x temperatura com a finalidade de encontrar a condição ótima para o processo, de forma que houvesse melhor rendimento e que as características químicas, físicas e morfológicas da polpa fossem compatíveis às exigidas para utilização como reforço de matrizes cimentícias. A melhor condição foi o cozimento a temperatura de 190ºC durante 2 h. O tempo de 1 h de cozimento foi insuficiente para a solubilização da lignina e o período de 3 h é inviável devido a degradação da cadeia de celulose. Foram produzidos pelo método de sucção a pressão negativa, compósitos com matriz de cimento com substituição parcial de metacaulim e testados os teores de 6, 8, 10 e 12% de polpa de bambu como reforço. O teor de polpa definido como ideal foi 8%, o mesmo encontrado na literatura para polpa Kraft de bambu. Produziram-se placas com duas composições. Uma com substituição parcial de 25% do cimento por metacaulim e a segunda com substituição de 25% do cimento por calcário moído. Os compósitos contendo metacaulim foram submetidos a envelhecimento acelerado por meio de 50, 100 e 200 ciclos de imersão e secagem para avaliação da durabilidade. As propriedades físicas foram melhoradas com os ciclos de envelhecimento, ocasionando diminuição na porosidade aparente pela migração dos produtos da hidratação do cimento para a zona em torno das fibras, e, em consequência, melhorias nas propriedades mecânicas de módulo de ruptura (MOR), limite de proporcionalidade (LOP) e módulo de elasticidade (MOE), tanto para a substituição parcial do cimento por metacaulim como para calcário. Houve diminuição na energia específica (EE) com os ciclos de imersão e secagem, justificada pela maior aderência entre fibra-matriz. Observados os parâmetros de polpação organossolve adotados para o bambu, essa polpa apresenta-se viável para reforço de matrizes inorgânicas a base de cimento Portland. / The use of natural fibers as reinforcement for brittle cement matrices is justified by the its low cost, high availability, especially in countries like Brazil, which has developed agriculture, good soil and climatic conditions and large areas for cultivation. However, due to the high alkalinity of cement the reinforced matrix has it durability compromised by the fiber degradation. One measure to minimize this alkaline attack is the dissolution of lignin and hemicellulose fibers, that are less resistant under conditions of high pH, by chemical pulping, that is a process that individualizes the cellulosic fibers, which can be used as reinforcement of cementitious composites in partial replacement synthetic fibers. The pulps applied for this purpose are commonly produced by the kraft pulping process. A cleaner alternative to this process is the organosolv pulping that use organic reagents during cooking and provides facility for solvent recovery at the end of the process.The bamboo fibers have high mechanical strength, therefore their use as raw materials for production of cellulose pulps is justified because it is a viable material, easily applied, rapid growth and ready availability. The purpose of this study was the production of bamboo pulp by the organosolv process using the variables time vs temperature in order to find the optimum condition for the process, so that there was a better yield and that the chemical, physical and morphological characteristics of the pulp were compatible to those required for use as reinforcement in cementitious matrices. The best condition was the cooking temperature of 190ºC for 2 h. The time of 1 h of cooking was insufficient to solubilize the lignin and the time of 3 h is infeasible due to degradation of the cellulose chain. The composites with matrix of cement and with partial replacement of metakaolin were produced by the method of negative pressure suction and tested the levels of 6, 8, 10 and 12% bamboo pulp as reinforcement. The pulp content was defined as an ideal 8%, as found in the literature for bamboo Kraft pulp. The plates were produced with two compositions. One with partial substitution of cement by 25% of metakaolin and the second with 25% replacement of cement by limestone. The composites containing metakaolin were subjected to accelerated ageing through 50, 100 and 200 wet and dry cycles for durability evaluation. The physical properties were improved with the ageing cycles, decreasing the porosity by migration of the cement hydration products to the zone around the fibers and, consequently, improvements in mechanical properties of modulus of rupture (MOR), limit proportionality (LOP) and modulus of elasticity (MOE) for both the partial replacement of cement by metakaolin as for limestone. The decreased of the specific energy (EE) with the wet and dry cycles was due to the higher adhesion between fiber-matrix. With the observation of the parameters adopted for bamboo organosolv pulping, this pulp has to be feasible for reinforcement of inorganic matrices based in Portland cement.

O uso do bagaço de cana-de-açúcar, um subproduto da produção sucroalcooleira, ainda está hoje atrelado diretamente à produção de energia com sua queima nas usinas, um uso que é pouco nobre, considerando-se a grande diversidade de compostos químicos presentes neste tipo de material. A possibilidade de valorização desta matéria-prima lignocelulósica está ligada a realização de etapas de separação das principais frações de compostos, a celulose, as hemiceluloses e a lignina. Neste contexto, as deslignificações organossolve, etapa de remoção da lignina através da solubilização da mesma em soluções orgânicas, tem grande potencial de uso, visto que nestas pode-se recuperar tanto a polpa como o licor de polpação para posterior uso. Assim, verifica-se que a solubilidade da lignina é o fator que diferencia a utilização de um dado solvente orgânico em uma deslignificação organossolve. Desta maneira, pode-se utilizar o conceito de parâmetros de solubilidade para a escolha de um melhor solvente para o processo. Neste trabalho, verificou-se a relação entre a deslignificação organossolve e a distância e afinidade de um solvente com a esfera de solubilidade de Hansen para a lignina de bagaço de cana-de-açúcar. Verificou-se que os parâmetros de solubilidade de Hansen para a lignina verificados na literatura não apresentam boa correlação com os dados de deslignificação, porém, uma nova esfera de solubilidade foi desenvolvida, na qual verificou-se um coeficiente de determinação de 0,93856, em detrimento de um de 0,72074 para a esfera de solubilidade verificada na literatura. Concluiu-se que o modelo desenvolvido possuía como principal diferença com relação ao modelo obtido por Hansen e Björkman para a lignina, um parâmetro de solubilidade para interações intermoleculares polares (δp) inferior e um parâmetro de solubilidade para a capacidade de realização de ligações de hidrogênio (δh) bem superior, porém mantendo o mesmo parâmetro de solubilidade total (δ). Confirmou-se a relação entre a deslignificação e os valores de distância e de afinidade obtidos neste trabalho, com a realização de deslignificações usando misturas ternárias e quaternárias com solventes de baixo custo e/ou excedentes no mercado (etanol, glicerol e 2-butanol, além de água). Concluiu-se que apesar da esfera de solubilidade desenvolvida permitir melhor ajuste dos dados, não se pode afirmar que esta é com certeza a esfera real para a lignina. / The use of sugarcane bagasse, a by-product of sugar and ethanol production, is still linked today directly to energy production with its burning in power plants, a use which is not very noble, considering the great diversity of chemical compounds present in the lignocellulosic matrix. The possibility of better use of lignocellulosic feedstock is linked to steps of separation of their main fractions, cellulose, hemicelluloses and lignin. In this context, organosolv delignification, in which lignin is removed by the solubilization in organic solutions have great potential, since both pulps and the pulping liquor can be recovered for later use. Thus, since the solubility of lignin is the factor that differentiates the use of a given organic solvent in an organosolv delignification, the concept of solubility parameters can be used for the selection of the organic solvent. In this dissertation the relationship between the distance and the affinity of a solvent with the Hansen sphere of solubility for lignin from bagasse cane sugar and organosolv delignification were studied. It was found that the Hansen solubility parameters for lignin found in the literature do not present a good correlation with delignification data. Thus a new sphere of solubility was developed, with a determination coefficient of 0.93856, over a determination coefficient of 0.72074 for the sphere of solubility found in the literature. It was concluded that the main differences between the developed model and the model obtained by Hansen and Björkman for lignin were a lower solubility parameter for polar intermolecular interactions (δp) and a higher solubility parameter for hydrogen bonds (δh), however keeping the same total solubility parameter (δ). The relationship between delignification and the values of the distance and affinity obtained in this work were confirmed with the attainment of organosolv delignification using tertiary and quaternary mixtures of solvents with low cost and/or availability in the market (ethanol, glycerol and 2-butanol, in addition to water). It was concluded that although the developed solubility sphere allowed a better fit of the data, it cannot be stated with certainty that this is the real sphere for lignin.

Lignin valorization is a key component of the total utilization of biomass in the biorefinery industry. Lignin has seen some use in several different applications, but a breakthrough is still yet to happen, and there is still a need to find more areas where lignin can be used as an alternative feedstock or as the main component. Lignin nanoparticles (LNPs) could be an alternative route towards lignin valorization offering many areas of application. However, research around LNPs still has to overcome many challenges, primarily related to the complex structure of lignin, with composition and structure of lignin depending on its botanical origin and on the pulping process used to isolate the lignin from other components in biomass. This study investigates how spruce lignin originating from Kraft and Organosolv pulping will affect the properties of lignin nanoparticles. Particles from organosolv spruce lignin were prepared using a solvent exchange method with acetone/water as solvent and water as antisolvent. This resulted in spherical LNPs with hollow centers, sizes ranging from 104.6- 270.3 depending on initial lignin concentration and average zeta-potential of -35mV. Comparing Organosolv LPN’s with Kraft LNPs produced with the same experimental procedure, reviled that Organosolv LNPs were larger in and had lower absolute zeta potential, presumably due to the kraft lignin having higher phenolic-OH content. Furthermore, a larger comparison is made with LNPs from previous studies which indicated that LNP properties are further dependant Mw of lignin raw material, phenolic-OH content, and the method applied to produce the particles. In conclusion, this study proves that the pulping process used to isolate lining will affect the properties of NPs. But to strengthen and generalize this conclusion beyond the limitations of this study, more experimental data are needed, to further investigate the relationship between LNP properties and the properties of lignin raw material. / En av utmaningarna för framtidens bioraffinaderier är att fullständigt utnyttja samtliga komponenter av råvaran. Historiskt sett har cellulosa varit den mest värdefulla komponenten av biomassan medan lignin har klassats som en biprodukt och har därför primärt bränts som bränsle vid framställning av pappersmassa. Även om lignin produceras på industriell skala saknas idag värdeskapande applikationsområden där lignin kan utnyttjas ur ett ekonomiskt hållbart perspektiv. Ett alternativ till valorisering av lignin är att använda det som råmaterial för framställande av nanopartiklar , vilket är ett relativ nytt område med stor potential framförallt inom biomedicin. Dock kvarstår en del utmaningar i forskningen runt lignin nanopartiklar. Framförallt relaterat till lignins komplexa och inhomogena struktur, som varierar beroende på botaniskt ursprung och vilken typ av massaframställningsprocess som används för att isolera ligninet från biomassan. Den här studien undersöker hur granlignin från två olika massaframställningsprocesser, Organosolv- och Kraftprocessen, påverkar egenskaper hos NP av lignin. Under den experimentella delen av arbetet framställdes NP från Organosolv granlignin, vilket resulterade i sfäriska och ihåliga partiklar som varierade i storlek mellan 104.5–270.3 nm, beroende på den initiala lignin koncentrationen, samt en genomsnittlig zeta potential kring -35 mV. Egenskaperna hos Organosolv nanopartiklarna som jämfördes med nanopartiklar av Kraflignin som producerats med samma metod. Slutsatsen drogs att organosolv partiklar var större och hade lägre absolut zeta-potential. Vilket troligtvis kan förklaras med den betydligt högre halten av fenoliska-OH enheter i Kraft ligninet. En bredare jämförelse med tidigare studier som producerat olika lignin nanopartiklar visar dessutom att molekylvikten, fenolisk-OH halt och produktionsmetoden, är bidragande faktorer till lignin nanopartiklars egenskaper. Sammanfattnings visar den här studien att den massaframställningsprocess som används för att isolera lignin kommer påverka egenskaperna hos lignin nanopartiklar. Men för att kunna generalisera och stärka slutsatsen krävs dock utökad experimentella, för att vidare undersöka hur lignin nanopartiklars egenskaper beror på egenskaperna hos ligninet som använts för att producera partiklarna.

Spruce Bark contains several fundamental main substances; lignin, non-cellulose polysaccharides, cellulose and extractives. This undergraduate study focuses on developing a process to extract each of these components from spruce bark using a biorefinery concept, with a main focus on extracting lignin without degradation. The purpose of the Bark biorefinery concept is to contribute to a circular bioeconomy, by making use of natural resources. With extended research on the area, it will be possible to produce polymers, green chemicals and biofuel from the components in bark.  This report covers the extraction of the bark components with soxhlet extraction, Hot-water extraction, organosolv extraction and peracetic acid delignification. The extraction was made on two samples, matchstick-sized bark (MS) and 20 mesh-sized bark with a diameter of 0.8 mm (20M). The purpose was to be able to compare the efficiency of the extraction between the two samples. Afterwards, the characterisation of extracts and residue was executed with carbohydrate analysis, 2D HSQC-NMR and FTIR-analysis.  The results showed that a smaller particle size led to more efficient extractions of all components as well as more pure extract solutions. Lignin concentration determinations of samples at each step showed that a significant amount of lignin was lost prior to the organosolv extraction. Future research should look into ways to reduce this loss in order to increase the lignin yield. The findings in the FTIR and NMR analyses correlates with what could be seen in other reports, discussing similar subjects. For upscaling of this process, future research should go toward optimization of all extraction methods in order to make an upscaling of the process economically viable.

As resinas do tipo fenólica são amplamente utilizadas devido à sua diversidade de aplicações. Considerando as inúmeras vantagens desta resina (estabilidade térmica e dimensional, alta resistência à chama, etc.), este trabalho teve como um dos objetivos melhorar as propriedades mecânicas do termorrígido fenólico, pois estes são frágeis quando não reforçados. Fibras lignocelulósicas naturais foram usadas como reforço no termorrígido fenólico, o que levou a obtenção de biocompósitos. Devido a grande disponibilidade de fibras de bagaço de cana de açúcar no país, como subproduto de agroindústrias, estas fibras foram utilizadas na produção dos compósitos (sendo substituído em até 70% da matriz termorrígida por fibra natural), com a finalidade de atribuir maior valor agregado que o tradicionalmente encontrado para estas fibras. Tendo em vista que atualmente estas fibras podem ser obtidas como resíduo da agroindústria na forma queimada e não queimada, um estudo comparativo foi feito usando ambas as fibras. Compósitos fenólicos foram preparados com as fibras queimadas e não queimadas e os resultados obtidos de resistência ao impacto, módulo de armazenamento e absorção de água mostraram que não há diferenças significativas entre as propriedades de ambos. Considerando estes resultados, a continuidade do trabalho foi realizada com as fibras de bagaço de cana queimado, devido à maior disponibilidade atual destas fibras. Também foram utilizadas fibras de sisal, tradicionalmente conhecidas pelas excelentes propriedades mecânicas e disponibilidade em grande escala no país, para fins comparativos. Adicionalmente, visando aumentar a proporção de uso de matéria prima oriunda de fonte renovável, o lignossulfonato de sódio (NaLS) e lignina organossolve (LO), macromoléculas obtidas a partir de fibras lignocelulósicas, substituíram em 100% o fenol nas reações de obtenção de resinas do tipo resol (obtidas em meio alcalino). Ainda, o formaldeído foi substituído pelo glutaraldeído, um dialdeído, visando-se síntese de resinas alternativas a fenol-formaldeído, tradicionalmente usada. Também, as fibras de bagaço de cana queimadas foram tratadas em solução de NaLS, em banho de ultrassom. Este tratamento foi escolhido por se tratar do uso de macromolécula oriunda de fontes renováveis, assim como pelo fato de a fibra (bagaço de cana) conter alto teor de lignina, o que leva à perspectiva de intensificação da afinidade fibra/agente de tratamento, além de intensificar as interações fibra/matriz, devido à presença de anéis do tipo fenólico em ambas, superfícies das fibras e matriz. As fibras foram caracterizadas quanto à composição química e analisadas via termogravimetria (TG), calorimetria exploratória diferencial (DSC), microscopia eletrônica de varredura (MEV), cromatografia gasosa inversa (IGC), espectroscopia na região de infravermelho (IV), cromatografia liquida de alta performance (HPLC, para determinação do teor de açúcares no bagaço de cana queimado) e difração de raios X. O termorrígido fenólico (não reforçado) e compósitos (matriz fenólica e matrizes baseadas em LO e NaLS reforçados por fibras com distribuição aleatória, em diferentes proporções e comprimentos) foram caracterizados por TG, DSC, IV, MEV, DMTA, resistência ao impacto Izod, resistência à flexão quanto à capacidade de absorção de água. Termorrígidos preparados a base de NaLS apresentaram grande fragilidade após a moldagem, tendo sido apenas submetidos a análises de TG, DSC e cromatografia gasosa inversa (IGC), devido à impossibilidade de realizar outros ensaios. As análises de IGC foram realizadas para fibras e matriz, obtendo-se parâmetros relacionados à energia de superfície e disponibilidade de sítios ácidos e básicos. Os resultados de IGC obtidos para as fibras, tratadas e não tratadas, confirmaram que houve a adsorção do lignossulfonato sódio à superfície destas devido ao aumento de sítios ativos (ácidos e básicos) disponíveis. Os valores de IGC obtidos para as matrizes sugerem que as interações fibra/matriz são favorecidas, principalmente quando o NaLS está presente em ambos os componentes (fibra/matriz). Os resultados obtidos na caracterização dos compósitos indicaram que o lignossulfonato de sódio e a lignina organossolve podem substituir o fenol na formulação de resinas. A utilização de fibras como reforço melhorou as propriedades mecânicas dos materiais, comparativamente aos termorrígidos. Dentre os compósitos preparados com bagaço de cana, a amostra que apresentou melhor desempenho nos ensaios de impacto foram os compósitos de matrizes baseadas em glutaraldeído-LO (112 J m-1) e glutaraldeído-NaLS (82 J m-1). Os compósitos de matriz baseada em formaldeído-NaLS reforçados com fibras de sisal apresentaram melhor desempenho no ensaio de resistência ao impacto (1029 J m-1) e menor quantidade de água absorvida quando imerso em água, comparado aos demais compósitos preparados neste trabalho. As análises de MEV comprovaram a intensificação da adesão entre as fibras de sisal e a matriz, quando esta é preparada a partir de NaLS. Compósitos reforçados com fibras de sisal foram os que apresentaram melhor desempenho mecânico, tanto em resistência ao impacto quanto em flexão, provavelmente devido às propriedades intrínsecas das fibras de sisal. No geral, quando os termorrígidos foram reforçados com as fibras lignocelulósicas, bagaço de cana ou sisal, apresentaram resultados de estabilidade térmica e mecânica satisfatórios. Destaca-se que compósitos preparados com alto teor de material proveniente de fonte renovável, como os compósitos reforçados com até 70% de fibra, e os compósitos com matriz baseada em 100% de lignossulfonato de sódio e lignina organossolve, apresentaram grande potencial para diferentes aplicações, tais como no setor de embalagens e automotivo, neste caso para aplicações não estruturais. / Phenolic resins are widely known due to their diverse applications. Considering the many advantages of this type of resin (flame resistance, thermal and dimensional stability, etc), this study has one objective: the improvement of the mechanical properties of the phenolic thermoset, because this material is fragile when it is not reinforced. Natural lignocellulosic fibers were used as reinforcement in the phenolic thermoset leading to the obtaining of biocomposites. Because the fibers from sugarcane bagasse are byproducts widely available by agricultural industries in this country, these fibers were used in the production of the composites (the thermoset phenolic was replaced by up to 70% natural fibers) - the purpose was to assign greater value than traditionally found for these fibers. Currently, sugarcane fibers can be obtained from natural and burned bagasse. A comparative study was realized using both fibers. Phenolic composites were prepared with the burned fibers and the results obtained from the impact resistance, storage modulus and water absorption showed that they are not significantly different when it comes to the properties of both. Considering these results, the continuity of this study was realized with the burned fibers of sugarcane due to the higher and current availability of this fiber. Lignocellulosic fibers, are traditionally known because of their excellent mechanical properties and wide availability, like the sisal ones used in the present work for comparative reasons. Sisal fibers are available in large scale, facilitating their use. Additionally, sodium lignosulphonate (NaLS) and organosolv lignin (LO), which are macromolecules obtained from the lignocellulosics fibers were used to increase the proportion of the raw materials from renewable sources for a possible phenol substitute in resin reaction, resol type (an alkaline medium). Also, formaldehyde was replaced by glutaraldehyde aiming at the synthesis alternative resin to phenol-formaldehyde, which is traditionally used. Furthermore, burned sugar cane bagasse fibers were treated in NaLS solution, in ultrasonic bath. This treatment was chosen because this macromolecule is from renewable resources and as well as the fibers (sugarcane bagasse) have high content of lignin, which leads to the perspective of affinity intensification between fibers/lignin and fibers/matrix, due to the presence of the aromatics rings in both surfaces. The fibers were characterized in terms of chemical composition and analyzed by thermogravimetry (TG), differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscopy (SEM), inverse gas chromatography (IGC), infrared spectroscopy (IV), high performance liquid chromatography (HPLC, determination of the sugar content in the burned sugar cane bagasse) and X-ray diffraction. The lignin and resin were characterized by SEC, RMN 1H and RMN 31P. The thermosets (not reinforced) and composites (phenolic matrix and LO and NaLS matrix reinforced with randomly dispersed fibers) were characterized by TG, DSC, IV, Izod impact strength, MEV, flexural strength, DMTA and also the water absorption capacity was evaluated. Thermoset prepared based on NaLS showed great weakness after molding, being submitted only to analysis by TG, DSC and inverse gas chromatography (IGC), due to the impossibility of doing other tests. IGC analysis were realized for fibers and matrix. Parameters related to surface energy and availability of acids and basics sites were obtained. IGC results obtained for the fibers, treated and untreated, confirm that there was adsorption of lignosulphonate in these surfaces due to the increase of available active sites (acids and basics). IGC values obtained for matrix suggest that fiber/matrix interactions are favored, mainly when the NaLS is present in both components (fiber/matrix). The results obtained in the characterization of the composites indicated that lignosulphonate sodium and organosolv lignin can substitute the phenol in the resin formulation. Fibers used as reinforcement improved the mechanical properties of materials, compared to thermosets. Among the composites prepared with sugarcane bagasse, the sample that showed better performance in the impact test were the composites based on glutaraldehyde -LO (112 J m-1) and glutaraldehyde -NaLS (82 J m-1). Composites based on formaldehyde -NaLS reinforced with sisal fibers showed better performance in impact test (1009 J m-1) and less water absorbed when immersed in water, compared to others composites prepared in this study. SEM analysis confirmed the adhesion intensification between the sisal fibers and the matrix, when this is prepared from NaLS. Composites reinforced with sisal fibers showed the best mechanical performance, such as impact strength and flexural strength, probably due to the intrinsic properties of sisal fibers. In general, when the thermosets were reinforced with lignocellulosic fibers, sugarcane bagasse or sisal, they showed satisfactory results of the thermic and mechanical stability. It should be highlighted that composites prepared with high content of material from renewable sources, as the composites reinforced up to 70% fibers and composites with matrix based on 100% lignosulphonate and organosolv lignin, they showed great potential to different applications, such as in the packaging sector and the automotive one, in this case to non-structural applications.

This study considered the potential use of lignin as possible renewable fuel and chemical feedstock source. Among the various polymers present in lignocellulosic biomass, the polyaromatic lignin is the one component that is most chemically similar to petroleum. However, it still contains a much larger amount of oxygen compared to crude oil. As such, two strategies were employed in this study: (1) studying the lignin depolymerization in the presence of high temperature and base catalysts; and, (2) employing hydrodeoxygenation as a means to decrease the O/C ratio in lignin-derived model compounds. The base-catalyzed depolymerization (BCD) of organosolv lignin was done in a 500-mL Monel Parr reactor at temperatures ranging from 165°C to 350°C. Complete solubilization of lignin derivatives was possible in the presence of NaOH and KOH, except at 350°C. NMR experiments revealed formation of oxidized groups (carboxylic and hydroxyl groups) as well as alkyl groups. On the other hand, the use of NH4OH showed N incorporation. Identified and quantified DCM-soluble monomeric compounds were at most 6% of the starting material and are mainly phenolic. This study revealed the apparent susceptibility of syringyl units over guaiacyl units in BCD. This could in turn guide the choice of substrate on which base-catalyzed depolymerization could be applied. Syringaldehyde was used as the starting material to study batch hydrodeoxygenation (HDO) using several non-cobalt/molybdenum based catalysts. A 50-ml Parr reactor was used, pressurized by 1000 psig of H2 and heated to 300°C. Nickel based catalysts (nickel phosphide, nickel oxide and nickel phosphate) as well as supported precious metals (Pt and Pd) were tested as HDO catalysts. Of the three O-containing functional groups of syringaldehyde, the aldehydic group was found to be the most susceptible. In the presence of the Al2O3-supported catalysts, the methyl groups liberated were found to be incorporated back into the aromatic ring, forming alkylated compounds. In the last section of this dissertation, hydrothermally synthesized supported Ni on mesoporous silica (MCF) and acid catalysts (HY and H-Al-MCF) were used for probing the effect of bifunctional metal-acid catalysis on phenol hydrodeoxygenation/hydrogenation. Catalyst configurations were varied from the previously studied wet-impregnated Pt/HY catalyst. Based on a hypothesis that coking catalyzed by the acidic zeolite in the wet impregnated Pt/HY catalyst was the main cause of catalyst deactivation and decreased phenol conversion, separately synthesized metal and acid catalyst systems were tested. Complete phenol conversion was sustained for at least three times longer in a continuous flow reactor operated at 200°C and 0.79 MPa of flowing H2. The separation of the metal and acid sites generated a tunable system capable of producing cyclohexanol, cyclohexane or cyclohexene at very high selectivities, even achieving 99% selectivities for cyclohexane.

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Carlos Eduardo Vaz Rossell / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-11T20:59:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dias_MarinaOliveiradeSouza_M.pdf: 13614518 bytes, checksum: 8a7fafce0407822a32d8f9833a1d2d86 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: O objetivo desta dissertação é apresentar a descrição e a simulação de processos de produção de etanol a partir do caldo e do bagaço da cana-de-açúcar, visando o levantamento do consumo de energia destes processos. Foram consideradas melhor ias no processo convencional de produção de etanol a partir do caldo, tais como a realização de eficientes tratamento e esterilização do caldo, a condução da fermentação a temperaturas mais baixas (28°C) do que as utilizadas atuamente, o estudo de configuração de destilação duplo efeito e a otimização de processos de desidratação para produção de etanol anidro. O processo de produção de etanol a partir do bagaço da cana-de-açúcar é baseado em um processo de hidrólise do tipo Organosolv com ácido diluído em três etapas: pré-hidrólise da hemicelulose, deslignificação Organosolv e hidrólise da celulose. Considerando-se a utilização de 70 % do bagaço gerado nas moendas como matéria prima do processo de hidrólise estudado, seria possível aumentar a produção de etanol em cerca de 17 %, considerando somente a fermentação das hexoses obtidas a partir da celulose do bagaço. A realização do processo de hidrólise leva a um aumento do consumo de energia do processo, que pode ser compensado pela otimização do processo convencional de produção .de etanol a partir do caldo da cana-de-açúcar, do aproveitamento da palha e de subprodutos do processo de hidrólise como a lignina, e da integração térmica do processo integrado, que utiliza caldo e bagaço como matéria prima para produção de etanol. O equacionamento do consumo energético da produção integrada de etanol a partir da cana-de-açúcar e do bagaço de cana-de-açúcar constitui um obstáculo à viabilização técnica e econômica do processo de hidrólise. Este trabalho visa apresentar então colaborações no sentido de superar este obstáculo, considerando-se a produção de etanol a partir do bagaço de cana-de-açúcar por meio de um processo de hidrólise do tipo Organosolv com ácido diluído / Abstract: The main objective of this dissertation is to present the description and simulation of bioethanol production processes from sugarcane juice and bagasse, considering the evaluation of energy consumption. Some improvements were considered for the conventional bioethanol production process from sugarcane juice, such as efficient juice treatment, sterilization and concentration, lower fermentation temperatures (28°C) than the ones used nowadays in the industry, study of a double effect distillation sys tem and optimization of dehydration processes for anhydrous bioethanol production. The process considered for bioethanol production from sugarcane bagasse is based on an Organosolv process with dilute acid hydrolysis, carried on three non-simultaneous steps: prehydrolysis of hemicellulose, Organosolv delignification and cellulose hydrolysis. The use of 70 % of sugarcane bagasse generated on the mills as raw material for the hydrolysis process allows an increase in bioethanol production of 17 %, considering exclusively the fermentation of the hexose obtained from the cellulose fraction of sugarcane bagasse. An increase on energy consumption is observed when bagasse is used as raw material in the hydrolysis process, but it may become feasible considering the optimization of conventional bioetlJ.anol production process, the use of sugarcane trash and lignin as fuel in boilers and the thermal integration of the integrated process, which uses sugarcane juice and bagasse as raw materiaIs for bioethanol production. Evaluation of the energy consumption of the integrated production of ethanol from sugarcane and sugarcane bagasse constitutes an obstacle for the technical and economical feasibility of the hydrolysis processo This work aims to present contributions to help surpass this obstacle, considering the production of ethanol from sugarcane bagasse using an Organosolv process with dilute acid hydrolysis / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

As resinas do tipo fenólica são amplamente utilizadas devido à sua diversidade de aplicações. Considerando as inúmeras vantagens desta resina (estabilidade térmica e dimensional, alta resistência à chama, etc.), este trabalho teve como um dos objetivos melhorar as propriedades mecânicas do termorrígido fenólico, pois estes são frágeis quando não reforçados. Fibras lignocelulósicas naturais foram usadas como reforço no termorrígido fenólico, o que levou a obtenção de biocompósitos. Devido a grande disponibilidade de fibras de bagaço de cana de açúcar no país, como subproduto de agroindústrias, estas fibras foram utilizadas na produção dos compósitos (sendo substituído em até 70% da matriz termorrígida por fibra natural), com a finalidade de atribuir maior valor agregado que o tradicionalmente encontrado para estas fibras. Tendo em vista que atualmente estas fibras podem ser obtidas como resíduo da agroindústria na forma queimada e não queimada, um estudo comparativo foi feito usando ambas as fibras. Compósitos fenólicos foram preparados com as fibras queimadas e não queimadas e os resultados obtidos de resistência ao impacto, módulo de armazenamento e absorção de água mostraram que não há diferenças significativas entre as propriedades de ambos. Considerando estes resultados, a continuidade do trabalho foi realizada com as fibras de bagaço de cana queimado, devido à maior disponibilidade atual destas fibras. Também foram utilizadas fibras de sisal, tradicionalmente conhecidas pelas excelentes propriedades mecânicas e disponibilidade em grande escala no país, para fins comparativos. Adicionalmente, visando aumentar a proporção de uso de matéria prima oriunda de fonte renovável, o lignossulfonato de sódio (NaLS) e lignina organossolve (LO), macromoléculas obtidas a partir de fibras lignocelulósicas, substituíram em 100% o fenol nas reações de obtenção de resinas do tipo resol (obtidas em meio alcalino). Ainda, o formaldeído foi substituído pelo glutaraldeído, um dialdeído, visando-se síntese de resinas alternativas a fenol-formaldeído, tradicionalmente usada. Também, as fibras de bagaço de cana queimadas foram tratadas em solução de NaLS, em banho de ultrassom. Este tratamento foi escolhido por se tratar do uso de macromolécula oriunda de fontes renováveis, assim como pelo fato de a fibra (bagaço de cana) conter alto teor de lignina, o que leva à perspectiva de intensificação da afinidade fibra/agente de tratamento, além de intensificar as interações fibra/matriz, devido à presença de anéis do tipo fenólico em ambas, superfícies das fibras e matriz. As fibras foram caracterizadas quanto à composição química e analisadas via termogravimetria (TG), calorimetria exploratória diferencial (DSC), microscopia eletrônica de varredura (MEV), cromatografia gasosa inversa (IGC), espectroscopia na região de infravermelho (IV), cromatografia liquida de alta performance (HPLC, para determinação do teor de açúcares no bagaço de cana queimado) e difração de raios X. O termorrígido fenólico (não reforçado) e compósitos (matriz fenólica e matrizes baseadas em LO e NaLS reforçados por fibras com distribuição aleatória, em diferentes proporções e comprimentos) foram caracterizados por TG, DSC, IV, MEV, DMTA, resistência ao impacto Izod, resistência à flexão quanto à capacidade de absorção de água. Termorrígidos preparados a base de NaLS apresentaram grande fragilidade após a moldagem, tendo sido apenas submetidos a análises de TG, DSC e cromatografia gasosa inversa (IGC), devido à impossibilidade de realizar outros ensaios. As análises de IGC foram realizadas para fibras e matriz, obtendo-se parâmetros relacionados à energia de superfície e disponibilidade de sítios ácidos e básicos. Os resultados de IGC obtidos para as fibras, tratadas e não tratadas, confirmaram que houve a adsorção do lignossulfonato sódio à superfície destas devido ao aumento de sítios ativos (ácidos e básicos) disponíveis. Os valores de IGC obtidos para as matrizes sugerem que as interações fibra/matriz são favorecidas, principalmente quando o NaLS está presente em ambos os componentes (fibra/matriz). Os resultados obtidos na caracterização dos compósitos indicaram que o lignossulfonato de sódio e a lignina organossolve podem substituir o fenol na formulação de resinas. A utilização de fibras como reforço melhorou as propriedades mecânicas dos materiais, comparativamente aos termorrígidos. Dentre os compósitos preparados com bagaço de cana, a amostra que apresentou melhor desempenho nos ensaios de impacto foram os compósitos de matrizes baseadas em glutaraldeído-LO (112 J m-1) e glutaraldeído-NaLS (82 J m-1). Os compósitos de matriz baseada em formaldeído-NaLS reforçados com fibras de sisal apresentaram melhor desempenho no ensaio de resistência ao impacto (1029 J m-1) e menor quantidade de água absorvida quando imerso em água, comparado aos demais compósitos preparados neste trabalho. As análises de MEV comprovaram a intensificação da adesão entre as fibras de sisal e a matriz, quando esta é preparada a partir de NaLS. Compósitos reforçados com fibras de sisal foram os que apresentaram melhor desempenho mecânico, tanto em resistência ao impacto quanto em flexão, provavelmente devido às propriedades intrínsecas das fibras de sisal. No geral, quando os termorrígidos foram reforçados com as fibras lignocelulósicas, bagaço de cana ou sisal, apresentaram resultados de estabilidade térmica e mecânica satisfatórios. Destaca-se que compósitos preparados com alto teor de material proveniente de fonte renovável, como os compósitos reforçados com até 70% de fibra, e os compósitos com matriz baseada em 100% de lignossulfonato de sódio e lignina organossolve, apresentaram grande potencial para diferentes aplicações, tais como no setor de embalagens e automotivo, neste caso para aplicações não estruturais. / Phenolic resins are widely known due to their diverse applications. Considering the many advantages of this type of resin (flame resistance, thermal and dimensional stability, etc), this study has one objective: the improvement of the mechanical properties of the phenolic thermoset, because this material is fragile when it is not reinforced. Natural lignocellulosic fibers were used as reinforcement in the phenolic thermoset leading to the obtaining of biocomposites. Because the fibers from sugarcane bagasse are byproducts widely available by agricultural industries in this country, these fibers were used in the production of the composites (the thermoset phenolic was replaced by up to 70% natural fibers) - the purpose was to assign greater value than traditionally found for these fibers. Currently, sugarcane fibers can be obtained from natural and burned bagasse. A comparative study was realized using both fibers. Phenolic composites were prepared with the burned fibers and the results obtained from the impact resistance, storage modulus and water absorption showed that they are not significantly different when it comes to the properties of both. Considering these results, the continuity of this study was realized with the burned fibers of sugarcane due to the higher and current availability of this fiber. Lignocellulosic fibers, are traditionally known because of their excellent mechanical properties and wide availability, like the sisal ones used in the present work for comparative reasons. Sisal fibers are available in large scale, facilitating their use. Additionally, sodium lignosulphonate (NaLS) and organosolv lignin (LO), which are macromolecules obtained from the lignocellulosics fibers were used to increase the proportion of the raw materials from renewable sources for a possible phenol substitute in resin reaction, resol type (an alkaline medium). Also, formaldehyde was replaced by glutaraldehyde aiming at the synthesis alternative resin to phenol-formaldehyde, which is traditionally used. Furthermore, burned sugar cane bagasse fibers were treated in NaLS solution, in ultrasonic bath. This treatment was chosen because this macromolecule is from renewable resources and as well as the fibers (sugarcane bagasse) have high content of lignin, which leads to the perspective of affinity intensification between fibers/lignin and fibers/matrix, due to the presence of the aromatics rings in both surfaces. The fibers were characterized in terms of chemical composition and analyzed by thermogravimetry (TG), differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscopy (SEM), inverse gas chromatography (IGC), infrared spectroscopy (IV), high performance liquid chromatography (HPLC, determination of the sugar content in the burned sugar cane bagasse) and X-ray diffraction. The lignin and resin were characterized by SEC, RMN 1H and RMN 31P. The thermosets (not reinforced) and composites (phenolic matrix and LO and NaLS matrix reinforced with randomly dispersed fibers) were characterized by TG, DSC, IV, Izod impact strength, MEV, flexural strength, DMTA and also the water absorption capacity was evaluated. Thermoset prepared based on NaLS showed great weakness after molding, being submitted only to analysis by TG, DSC and inverse gas chromatography (IGC), due to the impossibility of doing other tests. IGC analysis were realized for fibers and matrix. Parameters related to surface energy and availability of acids and basics sites were obtained. IGC results obtained for the fibers, treated and untreated, confirm that there was adsorption of lignosulphonate in these surfaces due to the increase of available active sites (acids and basics). IGC values obtained for matrix suggest that fiber/matrix interactions are favored, mainly when the NaLS is present in both components (fiber/matrix). The results obtained in the characterization of the composites indicated that lignosulphonate sodium and organosolv lignin can substitute the phenol in the resin formulation. Fibers used as reinforcement improved the mechanical properties of materials, compared to thermosets. Among the composites prepared with sugarcane bagasse, the sample that showed better performance in the impact test were the composites based on glutaraldehyde -LO (112 J m-1) and glutaraldehyde -NaLS (82 J m-1). Composites based on formaldehyde -NaLS reinforced with sisal fibers showed better performance in impact test (1009 J m-1) and less water absorbed when immersed in water, compared to others composites prepared in this study. SEM analysis confirmed the adhesion intensification between the sisal fibers and the matrix, when this is prepared from NaLS. Composites reinforced with sisal fibers showed the best mechanical performance, such as impact strength and flexural strength, probably due to the intrinsic properties of sisal fibers. In general, when the thermosets were reinforced with lignocellulosic fibers, sugarcane bagasse or sisal, they showed satisfactory results of the thermic and mechanical stability. It should be highlighted that composites prepared with high content of material from renewable sources, as the composites reinforced up to 70% fibers and composites with matrix based on 100% lignosulphonate and organosolv lignin, they showed great potential to different applications, such as in the packaging sector and the automotive one, in this case to non-structural applications.