Catalytic pyrolysis of lignin to produce fuels and functional carbon materials

Tid: On 2020-06-10 kl 10.00

Plats: https://kth-se.zoom.us/webinar/register/WN_LsY7zqbjQNKdHhv5tYYRlA, http://Vid fysisk närvaro eller Du som saknar dator/ datorvana kan kontakta service@itm.kth.se (English), Stockholm (English)

Ämnesområde: Teknisk materialvetenskap

Respondent: Tong Han , Energi- och ugnsteknik, Energy and Furnace Technology

Opponent: Professor Anker Jensen,

Handledare: Docent Weihong Yang, Energi- och ugnsteknik, Materialvetenskap, Tillämpad termodynamik och kylteknik; Professor Pär Jönsson, Materialens processteknologi

Abstract

En utveckling av bärare av förnybar energi och gröna adsorbenter är ett viktigt steg för att skapa en fossilfri och toxinfri framtid i världen. Lignin är den näst största komponenten i biomassa och den enda förnybara resursen av aromater i naturen. För närvarande produceras cirka 70 miljoner ton teknisk lignin årligen från massa- och pappersindustrin i världen, medan endast 1-2% kan uppgraderas till värdefulla produkter. Pyrolys utgör en av de mest lovande teknikerna för ligninomvandling för att producera värdefulla produkter. Efter en pyrolys av lignin så kan bioolja, biogas och biokol produceras. Därefter så kan biogas och bioolja användas som alternativ till fossilbaserad energi, som i sin tur kan användas för att producera bränslen eller kemikalier via en katalytisk uppgraderingsprocess; biokol kan efter modifiering användas som en grön adsorbent för avlägsnande av anjoniska föroreningar. Denna avhandling bidrar med en systematisk forskning med fokus på en katalytisk pyrolys av lignin för att producera uppgraderade biobränslen och magnetiska aktiverade kol (MAC). Inledningsvis studeras två specifika problem, dvs svavel och smältning som är unika för pyrolys av lignin, för att uppnå en grundlig förståelse av denna process. Därefter studeras katalytisk pyrolys av lignin in-situ  och resultaten jämförs med lågkostnadskatalysatorer för att producera uppgraderade biooljor. Studier av en lämplig screening med användande av billiga katalysatorer genomförs också. Därefter studeras utvecklingen av en självförsörjande katalytisk pyrolys av lignin med användning av aktivt kol härrörande från samma pyrolysprocess för lignin som används för katalysatorer. Slutligen studeras pyrolys och en efterföljande ångförgasning för att producera MAC och H2-rik syntetgaser. Utvecklingen av en strömlinjeformad process för att producera högkvalitativa MAC produkter för adsorption av fosfor studeras inledningsvis. Därefter så studeras pyrolys och en efterföljande ångförgasning av en metalltorkad impregnerat lignin för att både producera MAC och en H2-rik syntetgas. Studien av svavelutvecklingen vid pyrolys av lignin innebär att radikaler som innehåller svavel är mer benägna att bindas till andra små radikaler under en snabb pyrolysprocess. Som ett resultat så är de huvudsakliga detekterade svavelföreningarna små molekylära gaser or vätskor med låga kokpunkter och den huvudsakliga komponenten i vätskefasen är svavelfri. Studien av lignins smältningsegenskaper vid den inledande pyrolystemperaturen visar att vid värmebehandling inom temperaturområdet 150 °C - 250 °C så genomgår Kraft lignin, lignin från massaprocessen och lignin från hydrolysprocessen olika omvandlingar. Kraftlignin smälter, mjuknar och uppnår ett flytande stadium efter vi  att ha uppnått en glastransformering.  Däremot så smälter inte lignin som extraherats från hydrolysprocessen utan snarare sönderdelas efter glastransformationen. Graden av korslänkningen av ligninstrukturen bestämmer dess smältegenskaper. Lignin som utvunnits från massaprocessen har en mindre korslänkad struktur. Därför smälter den, mjuknar och omvandlas till till ett flytande stadium efter att ha uppnått en glastransformering. Lignin som utvunnits från hydrolysprocessen har en större korslänkad struktur. Därför smälter den inte utan snarare sönderdelas efter en glastransformation. Studien av användandet av lågkostnadskatalysatorer med olika sura och strukturella egenskaper i en in-situ katalytisk pyrolys visar att användningen av endast kommersiella Ac som en katalysator leder till ett ökat utbyte av monocykliska aromatiska kolväten (MAC) i jämföresle med de andra billiga katalysatorerna. Katlysatorerna bestående av bentonit och rödlera är starkt sura men har dåliga porösa egenskaper. Detta innebär att mellanprodukterna är lätta att repolymerisera för att bilda kol utan att porväggen hindrar det. Kommersiella AC har en omfattande porös struktur såväl som en ytsurhet med en bestämd styrka. De producerade mellanprodukterna kan isoleras av porväggen och därmed gynna produktionen av MAHs. Dessutom verkar det som om endast porer med en storlek liknande den för syresättare bildade i den snabba pyrolysprocessen (0.6 - 1 nm) kan gynna en produktion av MAHs. Både större och mindre porer tenderar att gynna produktion av kol. En efterföljande studie av en katalytisk in-situ pyrolys av lignin med användande av aktiverat kol från samma pyrolysprocess genomfördes också. Resultaten visar att användningen av endast aktivt kol som har fler mesoporer än mikroporer som katalysator skulle kunna leda till en avsevärd minskning av tjäroljautbytet och en signifikant ökning av fenolerna i vattenhaltiga och flytande oljor. Diffusionseffektiviteten hos de reaktiva mellanprodukterna bestämda av porstorleken antas vara den mest avgörande parametern som bestämmer den katalytiska prestandan hos aktiverade kol. Storleken av mesoporer är mycket större än för reaktiva mellanprodukter. Därför kunde dessa porer låta de flesta av de reaktiva mellanprodukterna att diffundera snabbt och reagera i sina porer. Som ett resultat så kan utbytet av tjärolja minskas avsevärt.  Resultaten från studien av den strömlinjeformade produktionsprocessen för MAC visar att järnelement kan förekomma inneslutna i en kolmatris vid smältning av lignin. Efter en pyrolys/uppkolning av lignin och FeSO4 i en kvävgasatmosfär, så sönderdelas FeSO4 och reduceras ytterligare under bildandet av järnkarbid. Denna är innesluten i kolmatrisen i biokolet vid en smältning av lignin. Under en vii  efterföljande ångförgansing/aktivering process så exponeras järnelementen gradvis från kolet via porborrningen och breddningseffekten som orsakas av ångan. Samtidigt oxideras den nakna delen av järnet genom reaktioner med ånga, vilket leder till bildande av magnetit.  Den största adsorptionen av fosfor  av MAC proverna beräknades vara 21.18 mg P/g, genom användandet av Langmuir-Freundlich modellen. Studier genomfördes också av pyrolys och en efterföljande ångförgasning av metalltorkat impregnerat lignin för att producera MAC och H2-rik syntetgas. Resultaten visar att under pyrolysen av FeSO4 impregnerat lignin så bildas H2 via den katalytiska krackningen av de flyktiga ämnena. Under den efterföljande ångpyrolysen av fasta rester producerades huvudsakligen H2 via katalytiska ångkolreaktioner och katalytiska ånggaskiftesreaktioner. Det totala totala H2-utbytet för den integrerade processen är så högt som 42.73 mol / kg-lignin. Dessutom så adsorberas ungefär 70% av fosfor i vanligt hushållsavloppsvatten av MAC producerade från samma process efter en behandling under 2 timmar.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-273268