Ny proces booster lignin bio-olie som næste generations brændstof

En ny lavtemperatur flerfaseproces til opgradering af ligninbioolie til kulbrinter kan hjælpe med at udvide brugen af ​​ligninet, som nu stort set er et affaldsprodukt, der er tilbage fra produktionen af ​​cellulose og bioethanol fra træer og andre træagtige planter.

Ved at bruge et dobbelt katalysatorsystem af supersyre- og platinpartikler, forskere ved Georgia Institute of Technology har vist, at de kan tilføje brint og fjerne ilt fra lignin bio-olie, gør olien mere nyttig som brændstof og kilde til kemiske råvarer. Processen, baseret på en usædvanlig brintcyklus, kan udføres ved lav temperatur og omgivende tryk, forbedre det praktiske ved opgraderingen og reducere det nødvendige energiforbrug.

"Fra et miljø- og bæredygtighedssynspunkt, folk ønsker at bruge olie produceret af biomasse, " sagde Yulin Deng, en professor ved Georgia Tech's School of Chemical and Biomolecular Engineering og Renewable Bioproducts Institute. "Den verdensomspændende ligninproduktion fra papir- og bioethanolfremstilling er 50 millioner tons årligt, og mere end 95 % af det bliver simpelthen brændt for at generere varme. Mit laboratorium leder efter praktiske metoder til at opgradere lavmolekylære ligninforbindelser for at gøre dem kommercielt levedygtige som biobrændstof og biokemikalier af høj kvalitet."

Processen blev beskrevet 7. september i journalen Naturenergi . Forskningen blev støttet af Renewable Bioproducts Institute ved Georgia Tech.

Cellulose, hemicelluloser, og lignin udvindes fra træer, græs og andre biomassematerialer. Cellulose bruges til at lave papir, ethanol og andre produkter, men ligninet - et komplekst materiale, der giver styrke til planterne - er stort set ubrugt, fordi det er svært at nedbryde til lavviskose olier, der kunne tjene som udgangspunkt for petroleum eller diesel.

Pyrolyseteknikker udført ved temperaturer over 400 grader Celsius kan bruges til at skabe bioolier såsom phenoler fra ligninet, men olierne mangler tilstrækkelig brint og indeholder for mange oxygenatomer til at være nyttige som brændstoffer. Den nuværende tilgang til at løse denne udfordring involverer tilsætning af brint og fjernelse af ilt gennem en katalytisk proces kendt som hydrodeoxygenering. Men den proces kræver nu høje temperaturer og tryk ti gange højere end omgivelserne, og det producerer trækul og tjære, der hurtigt reducerer effektiviteten af ​​platinkatalysatoren.

Deng og kolleger satte sig for at udvikle en ny løsningsbaseret proces, der ville tilføje brint og fjerne ilten fra oliemonomererne ved hjælp af et hydrogenbuffer-katalytisk system. Fordi brint har meget begrænset opløselighed i vand, hydrogenerings- eller hydrodeoxygeneringsreaktionen af ​​lignin biobrændstof i opløsning er meget vanskelig. Dengs gruppe brugte polyoxometalatsyre (SiW ₁₂ ) som både et hydrogenoverførselsmiddel og reaktionskatalysator, der hjælper med at overføre brintgas fra gas-væske-interfasen til bulk-opløsningen gennem en reversibel hydrogenekstraktion. Processen frigav derefter brint som en aktiv art H* ved en platin-på-carbon nanopartikeloverflade, som løste nøglespørgsmålet om lav opløselighed af brint i vand ved lavt tryk.

"På platin, polyoxometalatsyren fanger ladningen fra brinten og danner H ⁺ som er opløseligt i vand, men ladningerne kan reversibelt overføres tilbage til H ⁺ at danne aktivt H* inde i opløsningen, " sagde Deng. Som et tilsyneladende resultat, brintgas overføres til vandfase for at danne aktivt H*, som kan reagere direkte med ligninolie inde i opløsningen.

I den anden del af den usædvanlige brintcyklus, polyoxometalatsyren sætter scenen for fjernelse af ilt fra bio-oliemonomererne.

"Supersyren kan reducere den aktiveringsenergi, der kræves for at fjerne ilten, og på samme tid, du har mere aktivt hydrogen H* i opløsningen, som reagerer på oliens molekyler, " sagde Deng. "I opløsningen er der en hurtig reaktion med aktivt hydrogenatom H* og ligninolie på overfladen af ​​katalysatoren. Den reversible reaktion mellem hydrogen og polyoxometalat for at danne H ⁺ and then to hydrogen atom H* on platinum catalyst surface is a unique reversible cycle."

The platinum particles and polyoxometalate acid can be reused for multiple cycles without reducing the efficiency. The researchers also found that the efficiency of hydrogenation and hydrodeoxygenation of lignin oil varied depending on the specific monomers in the oil.

"We tested 15 or 20 different molecules that were produced by pyrolysis and found that the conversion efficiency ranged from 50 percent on the lower end to 99 percent on the higher end, " Deng said. "We did not compare the energy input cost, but the conversion efficiency was at least ten times better than what has been reported under similar low temperature, low hydrogen pressure conditions."

Operating at lower temperatures—below 100 degrees Celsius—reduced the problem of char and tar formation on the platinum catalyst. Deng and his colleagues found that they could use the same platinum at least ten times without deterioration of the catalytic activity.

Among the challenges ahead are improving the product selectivity by using different metal catalyst system, and developing new techniques for separation and purification of the different lignin biochemicals in the solution. Platinum is expensive and in high demand for other applications, so finding a lower-cost catalyst could boost the overall practicality of the process—and perhaps make it more selective.

While helping meet the demand for bio-based oils, the new technique could also benefit the forest products, paper and bioethanol industries by providing a potential revenue stream for lignin, which is often just burned to produce heat.

"The global lignin market size was estimated at $954.5 million in 2019, which is only a very small portion of the lignin that is produced globally. Klart, the industry wants to find more applications for it by converting the lignin to chemicals or bio-oils, " Deng said. "There would also be an environmental benefit from using this material in better ways."