Pirólisis y descomposición del tabaco, efectos del uso catalizadores mesoporosos SBA-15

Resum

El trabajo de investigación desarrollado en la presente tesis versa sobre la profundización de los mecanismos de acción de catalizadores mesoporosos en la reducción de la toxicidad del tabaco para disponer de bases más sólidas para el diseño de nuevos catalizadores. Recientemente, una de las preocupaciones sociales ha sido el impacto del consumo de tabaco en la salud de los fumadores activos y pasivos. De esta forma, varios debates se centraron en la importancia de eliminar esta práctica. Sin embargo, las medidas tomadas por los distintos gobiernos claramente no han sido suficientes. No pudieron evitar los efectos negativos del tabaco y sin alcanzar los niveles esperados en la reducción del consumo. En este sentido, los procesos de adsorción y catálisis pueden proporcionar una alternativa válida para reducir la toxicidad del humo del tabaco, lo que puede constituir un campo importante para una nueva aplicación en el uso de catalizadores y contribuir a paliar los negativos efectos del consumo de tabaco. En los últimos 15 años y particularmente en los últimos 5, el grupo de investigación de Procesado y Pirólisis de Polímeros ha desarrollado una intensa labor de investigación en el estudio y desarrollo de catalizadores para la reducción de la toxicidad de los humos del tabaco, así como del efecto de determinados catalizadores sobre la nicotina y distintos aditivos. Recientemente se ha adquirido un equipo de EGA (Evolved Gas Analysis) con el que se ha podido desarrollar el presente trabajo que ha permitido un conocimiento más preciso de los compuestos generados en distintas condiciones y atmósferas, aportando una información muy valiosa, que no se puede obtener con los equipos anteriormente utilizados, sobre los procesos que tienen lugar en la pirólisis y combustión del tabaco y el efecto de catalizadores. En primer lugar, se estudió el efecto del catalizador en las distintas variedades de tabaco existente además de la mezcla de tabaco que se utiliza como referencias en experimentos de termogravimetría a una velocidad de calefacción lenta. En este trabajo se observaron diferencias y similitudes entre la descomposición de los tipos de tabaco y el efecto de la adición del catalizador. Se observaron diferencias al añadir el catalizador principalmente en el proceso de combustión a temperaturas elevadas y en el residuo generado en los experimentos en atmósfera inerte. A continuación, para obtener más información sobre la descomposición a velocidades de calefacción lentas, se realizó el mismo tipo de experiencia, pero analizando las distintas fracciones generadas por tramos de temperatura por cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas. En este caso se observó que el catalizador tiene un mayor efecto de reducción a temperaturas bajas (<300 ºC), y un efecto contrario al aumentar la temperatura. Además, se observó que los efectos de reducción también fueron mayores en atmósfera oxidante. A continuación, se realizó un estudio de la pirólisis “flash” (velocidad de calentamiento elevada) del tabaco a varias temperaturas, así como la influencia de la cantidad de catalizador añadido a su mezcla. En este estudio se obtuvo que, al igual que a velocidad lenta, el efecto del catalizador es mayor a temperaturas bajas y en atmósfera oxidante. Sin embargo, también se obtuvieron reducciones significativas en la pirólisis a 500 ºC en atmósfera oxidante. El efecto del catalizador no es tan relevante en otros casos, provocando incluso un aumento de los compuestos aromáticos y nitrogenados en atmósfera inerte a temperaturas elevadas. Se verificó que a temperaturas bajas la generación de los compuestos más tóxicos es prácticamente nula y estos se ven reducidos por el catalizador. Igualmente, se observó una selectividad específica del catalizador cuando la pirólisis se realiza bajo atmósfera oxidante y a bajas temperaturas de pirólisis, manteniendo la liberación de nicotina y disminuyendo la generación de otros componentes. Se obtuvieron efectos más significativos a medida que aumenta la cantidad de catalizador utilizada. Aunque en los experimentos anteriores se obtuvieron resultados de reducción en la generación de compuestos procedentes de la descomposición de tabaco, estas fueron significativamente menores que las que sistemáticamente se han obtenido por nuestro grupo de investigación en los experimentos de fumado. Por tanto, no se puede concluir que ninguna de las técnicas utilizadas pueda considerarse representativa de lo que el catalizador es capaz de hacer en el proceso de fumado. Todos los experimentos descritos comparten una característica común y diferente a los experimentos de fumado. En todos ellos los volátiles generados son eliminados rápidamente de la zona caliente del sistema y no tienen opción de entrar en contacto con el catalizador, por lo que se están estudiando casi exclusivamente las reacciones primarias. Sin embargo, al fumar un cigarrillo, los volátiles y alquitranes generados en una calada pueden condensar o ser adsorbidos sobre el tabaco y el catalizador (si lo hay), de modo que pueden experimentar posteriores reacciones secundarias. Estos procesos pueden ser mucho más significativos en presencia del catalizador, donde, además, la proporción catalizador/alquitrán condensado puede ser marcadamente mayor que la relación nominal catalizador/tabaco. Por ello, se realizó un estudio del efecto del catalizador en la pirólisis de la materia particulada total (TPM) generada durante el proceso de fumado, con objeto de analizar el efecto del catalizador en las reacciones secundarias de los alquitranes condesados sobre el mismo. Se obtuvo que el catalizador retrasa la descomposición de la TPM a temperaturas más elevadas. Además, se observa una mayor reducción de la nicotina liberada, posiblemente por el mejor contacto entre TPM-catalizador. En este caso también se observa un comportamiento similar a los anteriores, con mayores reducciones al añadir el catalizador a temperaturas bajas y en atmósfera oxidante. Finalmente, se comparan todos los resultados anteriores con los obtenidos en experimentos de fumado, observando que los resultados que más se asemejan son los realizados a temperaturas bajas y en atmósfera oxidante, teniendo en cuenta los resultados de la descomposición de la TPM. Por tanto, se podría afirmar que el catalizador actúa principalmente a temperaturas bajas con presencia de aire y este efecto es combinación de las reacciones principales y secundarias que tiene lugar durante el fumado. [1] A. Marcilla, M.I. Beltrán, A. Gómez-Siurana, I. Martínez, D. Berenguer, Effect of the Concentration of Siliceous Materials Added to Tobacco Cigarettes on the Composition of the Smoke Generated during Smoking, Ind. Eng. Chem. Res. 54 (2015) 1916-1929. https://doi.org/10.1021/ie5038837. [2] M.B. Antonio Marcilla Gomis, Amparo Gómez Siurana, Deseada Berenguer Muñoz, Isabel Martínez Castellanos, Effect of Mesoporous Catalysts on the Mainstream Tobacco Smoke of 3R4F and 1R5F Reference Cigarettes, Am. J. Chem. Eng. 3 (2015) 1. https://doi.org/10.11648/j.ajche.20150301.11. [3] R.R. Baker, L.J. Bishop, The pyrolysis of tobacco ingredients, J. Anal. Appl. Pyrolysis. 71 (2004) 223-311. https://doi.org/10.1016/S0165-2370(03)00090-1. [4] R.R. Baker, Combustion and thermal decomposition regions inside a burning cigarette, Combust. Flame. 30 (1977) 21-32. https://doi.org/10.1016/0010-2180(77)90048-7. [5] R.R. Baker, A review of pyrolysis studies to unravel reaction steps in burning tobacco, J. Anal. Appl. Pyrolysis. 11 (1987) 555-573. https://doi.org/10.1016/0165-2370(87)85054-4. [6] J. Chen, X. He, X. Zhang, Y. Chen, L. Zhao, J. Su, S. Qu, X. Ji, T. Wang, Z. Li, C. He, E. Zeng, Y. Jin, Z. Lin, C. Zou, The applicability of different tobacco types to heated tobacco products, Ind. 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