Bimetallic CuFe/TiO2 catalysts for catalytic upgrading of biomass pyrolysis vapors
Description
Full text not available
Abstract
Tidligere biomasse pyrolyse-forsøk ga et høyt innhold av eddiksyre i prøvene. Tingelstad et al. fant rundt 10 % eddiksyre i sine prøver. Eddiksyre er et vannløselig molekyl, og mye karbon går derfor tapt i vannfasen.
Denne masteroppgaven fokuserer på å utvikle en katalysator som kan øke omdanningen av eddiksyre og videre oppgradere de omdannede produktene til olje-løselige forbindelser for å maksimere biooljens karbonutbytte.
Katalysatoren som ble valgt, var CuFe/TiO2. Tidligere målinger av bindingsstyrke viste at kobber binder svakt til overflaten, noe som forårsaker sårlig stabilitet, og jern binder sterkt, noe som forårsaker lav aktivitet. Studien har som mål å se om det finnes et optimalt blandingsforhold mellom kobber og jern som resulterer i en optimal bindingsenergi, og undersøke hvordan de to metallene sammen påvirker ytelsen til katalysatoren.
Først ble det utført en studie for å screene katalysatorer for katalytisk oppgradering i gassfasen. Denne studien undersøker 0,5 vekt% CuFe/TiO2-katalysatorer med varierende forhold mellom Cu og Fe. Dette forholdet endrer seg fra monometallisk kobber (100/0) til monometallisk jern (0/100). Forholdstallene 75/25, 50/50 og 25/75 ble også undersøkt.
En kinetisk og termodynamisk analyse viste at et Cu/Fe-forhold på 75/25 var optimalt. Dette forholdet ga den høyeste reaksjonshastigheten, en optimal bindingsenergi og var kinetisk gunstig. Derfor ble dette forholdet valgt for videre evaluering i et pilotanlegg for biomassepyrolyse.
Effekten av temperatur og matehastighet ble undersøkt ved hjelp av et faktorielt design. Pyrolyse foregikk ved 500 C i en fluidisert bed med en innmatingshastighet på 20-30 g/t. Oppgradering foregikk ved 300-350 C. GC-FID/MS analyserte sammensetningen av de kondenserte væskene. Karl Fischer-titrering kvantifiserte vanninnholdet i begge faser, mens online-GC analyserte og kvantifiserte gassfasen.
Produktfordelingen viste en høy andel fenoler i biooljen. Den viste også en høy mengde sykliske ketoner, da ketoniseringsaktiviteten var høy. Preliminary biomass pyrolysis experiments showed a high content of acetic acid in the samples, Tingelstad et al. found 10 % acetic acid in their samples. Acetic acid is a watersoluble molecule, and a lot of carbon is therefore lost in the aqueous phase. The focus of this thesis is to develop a catalyst that can increase the acetic acid conversion and further upgrade these products via a pathway that integrates them into the bio-oil, ultimately maximizing the bio-oil's carbon yield.
CuFe/TiO2 was chosen as the catalyst. Previous binding strength measurements showed that copper binds weakly to the surface, which cause stability issues, and iron binds strongly, which cause activity issues. The investigation aims to determine if a specific ratio exists between copper and iron that achieves an optimal binding energy and explore how the two metals together affect the catalyst performance.
A small-scale study was done to screen catalysts for catalytic vapor phase upgrading. This study investigates 0.5 wt% CuFe/TiO2 catalysts with varying Cu/Fe ratios. This variation ranged from monometallic copper (100/0) to monometallic iron (0/100). Intermediate ratios of 75/25, 50/50, and 75/25 were also explored.
A kinetic and thermodynamic analysis revealed a 75/25 Cu/Fe ratio as optimal. This ratio exhibited the highest reaction rate, an optimal binding energy, and was kinetically favoured. Consequently, this ratio was chosen for further evaluation in a biomass pyrolysis pilot plant.
Temperature and feedrate effects was explored with a factorial design. Pyrolysis occurred at 500 C in a fluidized bed with a feedrate of 20-30 g/h. Upgrading followed at 300-350 C. GC-FID/MS analyzed the composition of the condensed liquids. Karl Fischer titration quantified water content in both phases, while online-GC analyzed and quantified the gas phase.
The product distribution showed a high amount of phenolics in the bio-oil. It also showed a high amount of cyclic ketones, as the ketonization activity was high.