Hydrodeoxygenation xúc tác guaiacol & ứng dụng nâng cấp dầu sinh học (UTP)
Catalytic hydrodeoxygenation of guaiacol nâng cao chất lượng bio-oil bằng phản ứng xúc tác.
universiti teknologi petronas
Chemical Engineering
Luan An
Luận án
Năm xuất bản
Số trang
197
Thời gian đọc
30 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
50 Point
Mục lục chi tiết
Tóm tắt nội dung
I.Tối ưu Hydrodeoxygenation Xúc tác Guaiacol
Guaiacol là hợp chất mô hình quan trọng. Nó đại diện cho các thành phần lignin trong dầu sinh học. Hydrodeoxygenation (HDO) xúc tác là công nghệ then chốt. HDO cải thiện chất lượng dầu sinh học. Nó loại bỏ oxy từ guaiacol. Điều này biến guaiacol thành hydrocarbon giá trị. Quá trình HDO giảm hàm lượng oxy. Nó tăng cường giá trị năng lượng của nhiên liệu. HDO cũng cải thiện tính ổn định của dầu sinh học. Mục tiêu chính là phát triển các hệ xúc tác hiệu quả. Các xúc tác này cần hoạt động chọn lọc. Chúng cần giảm thiểu việc tạo ra sản phẩm phụ không mong muốn. Nghiên cứu tập trung vào tối ưu hóa điều kiện phản ứng. Điều này bao gồm nhiệt độ, áp suất, và tỷ lệ H2/chất phản ứng. Hiểu biết sâu về cơ chế phản ứng rất cần thiết. Điều này hỗ trợ thiết kế xúc tác tốt hơn. HDO của guaiacol là bước tiến quan trọng. Nó hướng tới sản xuất nhiên liệu sinh học bền vững.
1.1. Mục tiêu Nghiên cứu Hydrodeoxygenation
Nghiên cứu hydrodeoxygenation (HDO) có mục tiêu rõ ràng. Mục tiêu là loại bỏ oxy từ các hợp chất mô hình như guaiacol. Guaiacol đại diện cho thành phần lignin trong dầu sinh học. Dầu sinh học thô chứa hàm lượng oxy cao. Điều này gây ra nhiều vấn đề. Nó làm giảm giá trị năng lượng. Dầu trở nên ăn mòn và kém ổn định. Quá trình HDO giải quyết những thách thức này. Nó chuyển đổi các hợp chất có oxy thành hydrocarbon. Điều này tạo ra nhiên liệu sạch hơn. Nhiên liệu này có thể sử dụng trong động cơ hiện có. Mục tiêu cuối cùng là sản xuất nhiên liệu sinh học bền vững. Nhiên liệu này có khả năng cạnh tranh với nhiên liệu hóa thạch. Nghiên cứu cũng tập trung vào việc hiểu cơ chế. Điều này giúp phát triển xúc tác hiệu quả hơn. Xúc tác đóng vai trò trung tâm trong HDO. Chúng định hướng quá trình chuyển đổi.
1.2. Vai trò Guaiacol làm Chất mẫu
Guaiacol được chọn làm chất mẫu chính. Nó là thành phần phong phú trong dầu sinh học từ lignin. Lignin là một polymer sinh học dồi dào. Guaiacol chứa các nhóm chức oxy quan trọng. Đặc biệt là nhóm metoxyl (-OCH3) và hydroxyl (-OH). Các nhóm này cần được loại bỏ thông qua HDO. Guaiacol cung cấp một hệ thống đơn giản. Nó giúp nghiên cứu các con đường phản ứng HDO. Nó cho phép đánh giá hiệu suất xúc tác một cách chính xác. Kết quả từ việc nghiên cứu guaiacol có thể ngoại suy. Nó áp dụng cho dầu sinh học thực tế phức tạp hơn. Guaiacol là nền tảng vững chắc. Nó cung cấp kiến thức sâu sắc về quá trình khử oxy hóa.
II.Nâng cấp Dầu Sinh học qua Quá trình HDO
Dầu sinh học thô có nhiều nhược điểm đáng kể. Nó có hàm lượng oxy cao bất thường. Điều này dẫn đến tính axit mạnh và ăn mòn. Độ nhớt của dầu thô cũng thường cao. Dầu sinh học thô kém ổn định khi bảo quản lâu dài. Quá trình hydrodeoxygenation (HDO) là giải pháp hiệu quả. HDO loại bỏ oxy từ dầu sinh học một cách triệt để. Nó biến các hợp chất oxy thành hydrocarbon. Điều này cải thiện đáng kể chất lượng dầu. Dầu được nâng cấp có giá trị năng lượng cao hơn. Nó có tính ổn định hóa học tốt hơn. Khả năng ăn mòn giảm đáng kể. HDO giúp dầu sinh học đáp ứng các tiêu chuẩn nhiên liệu hiện hành. Nó mở ra tiềm năng sử dụng dầu sinh học rộng rãi hơn. HDO là bước quan trọng trong chuỗi giá trị nhiên liệu sinh học bền vững.
2.1. Thách thức Chất lượng Dầu sinh học
Dầu sinh học thô sản xuất từ quá trình nhiệt phân nhanh. Nó gặp nhiều thách thức về chất lượng. Hàm lượng oxy cao là vấn đề chính. Oxy có thể chiếm tới 30-40% trọng lượng. Điều này dẫn đến tính axit mạnh. Dầu thô có pH thấp, gây ăn mòn thiết bị. Độ nhớt cao gây khó khăn trong vận chuyển và bơm. Dầu sinh học cũng chứa nhiều nước. Nó kém ổn định khi lưu trữ. Các phản ứng trùng hợp có thể xảy ra. Điều này làm thay đổi tính chất của dầu theo thời gian. Giá trị nhiệt lượng thấp hơn nhiên liệu hóa thạch. Những yếu tố này hạn chế ứng dụng trực tiếp của dầu sinh học thô. Cần có quá trình nâng cấp hiệu quả.
2.2. Lợi ích của HDO trong Dầu sinh học
Hydrodeoxygenation (HDO) mang lại nhiều lợi ích quan trọng. Nó giải quyết các vấn đề chất lượng của dầu sinh học thô. HDO loại bỏ phần lớn oxy từ dầu. Điều này làm giảm tính axit đáng kể. Độ pH của dầu được nâng cấp tăng lên. HDO cũng làm giảm độ nhớt. Nó cải thiện khả năng chảy của dầu. Quan trọng hơn, HDO tăng cường tính ổn định của dầu. Các phản ứng không mong muốn giảm thiểu. Dầu có thể được lưu trữ lâu hơn mà không bị suy giảm. Giá trị nhiệt lượng của dầu sau HDO tăng cao. Nó đạt gần mức của nhiên liệu hóa thạch. HDO giúp dầu sinh học trở thành nhiên liệu cao cấp. Nó có thể tích hợp vào cơ sở hạ tầng hiện có.
2.3. Cải thiện Tính chất Dầu sau HDO
Dầu sinh học được nâng cấp bằng HDO có tính chất vượt trội. Hàm lượng oxy giảm đáng kể. Điều này làm tăng giá trị nhiệt lượng. Dầu có thể cung cấp nhiều năng lượng hơn. Tính axit của dầu giảm thiểu. Nó làm giảm nguy cơ ăn mòn thiết bị. Dầu có độ nhớt thấp hơn. Điều này giúp dễ dàng vận chuyển và sử dụng. Độ ổn định khi lưu trữ được cải thiện đáng kể. Dầu không bị phân hủy hay trùng hợp nhanh chóng. Màu sắc của dầu cũng trở nên nhạt hơn. HDO giúp tạo ra hydrocarbon dạng parafin và olefin. Các hydrocarbon này là thành phần chính của xăng và dầu diesel. Sản phẩm HDO có thể được sử dụng trực tiếp. Nó có thể được phối trộn với nhiên liệu truyền thống.
III.Phát triển Xúc tác Hiệu quả cho HDO Guaiacol
Việc lựa chọn xúc tác là rất quan trọng. Xúc tác quyết định hiệu suất của quá trình hydrodeoxygenation (HDO). Nó ảnh hưởng đến độ chọn lọc sản phẩm. Các loại xúc tác khác nhau đã được nghiên cứu rộng rãi. Kim loại quý và kim loại chuyển tiếp là hai nhóm chính. Mục tiêu là tìm kiếm xúc tác hoạt động tốt nhất. Xúc tác cần có chi phí hợp lý. Nó phải ổn định trong điều kiện phản ứng khắc nghiệt. Xúc tác cũng cần có khả năng tái sử dụng nhiều lần. Nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện hoạt tính xúc tác. Điều này bao gồm việc điều chỉnh kích thước hạt. Nó cũng liên quan đến cấu trúc vật liệu hỗ trợ. Xúc tác hiệu quả giúp tối ưu hóa chuyển đổi guaiacol. Nó tạo ra hydrocarbon mong muốn với năng suất cao.
3.1. Xúc tác Kim loại Quý trong HDO
Xúc tác kim loại quý thể hiện hoạt tính cao. Chúng bao gồm Ruthenium (Ru/C) và Palladium (Pd/C). Các kim loại này có khả năng hydro hóa mạnh mẽ. Chúng thúc đẩy quá trình khử oxy hiệu quả. Ru/C thường cho thấy hoạt tính xuất sắc. Nó có thể hoạt động ở nhiệt độ và áp suất thấp hơn. Pd/C cũng được sử dụng rộng rãi. Nó cho thấy độ chọn lọc tốt đối với hydrocarbon. Tuy nhiên, chi phí cao là một hạn chế lớn. Điều này giới hạn ứng dụng quy mô công nghiệp. Nghiên cứu tìm cách giảm lượng kim loại quý. Hoặc tìm các giải pháp thay thế hiệu quả về chi phí.
3.2. Xúc tác Kim loại Chuyển tiếp cho HDO
Xúc tác kim loại chuyển tiếp là lựa chọn hấp dẫn hơn. Chúng có chi phí thấp hơn nhiều so với kim loại quý. Các kim loại như Niken (Ni), Coban (Co), Molypden (Mo) được nghiên cứu kỹ lưỡng. Chúng thường được hỗ trợ trên các vật liệu như alumina hoặc silica. Các xúc tác này thường cần điều kiện phản ứng khắc nghiệt hơn. Nhiệt độ và áp suất cao hơn có thể cần thiết để đạt hiệu suất. Tuy nhiên, chúng cung cấp một giải pháp kinh tế hơn. NiMo catalysts và CoMo catalysts là những ví dụ điển hình. Chúng thể hiện hoạt tính tốt trong HDO. Nghiên cứu tiếp tục tối ưu hóa các xúc tác này. Mục tiêu là đạt được hiệu suất tương đương kim loại quý.
3.3. Xúc tác NiMo và CoMo cho Quá trình HDO
Xúc tác NiMo và CoMo được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Chúng có nguồn gốc từ công nghiệp lọc dầu truyền thống. Các xúc tác này thường được sulfua hóa trước khi sử dụng. Điều này tăng cường hoạt tính khử oxy của chúng đáng kể. NiMo catalysts và CoMo catalysts thể hiện sức mạnh tổng hợp. Sự kết hợp giữa hai kim loại cải thiện hiệu suất phản ứng. Chúng có khả năng phá vỡ liên kết C-O hiệu quả. Điều này giúp chuyển đổi guaiacol thành hydrocarbon. Hoạt tính của chúng phụ thuộc vào tỷ lệ kim loại. Nó cũng phụ thuộc vào vật liệu hỗ trợ được sử dụng. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc. Điều này giúp tăng độ ổn định và tuổi thọ xúc tác. Các xúc tác này là ứng cử viên hàng đầu. Chúng tiềm năng cho ứng dụng công nghiệp HDO.
IV.Cơ chế Chuyển đổi Guaiacol HDO và Sản phẩm
Việc hiểu cơ chế chuyển đổi guaiacol là rất quan trọng. Nó giúp thiết kế xúc tác hiệu quả hơn trong tương lai. Guaiacol có hai nhóm chức oxy chính. Đó là nhóm metoxyl (-OCH3) và nhóm hydroxyl (-OH). Quá trình hydrodeoxygenation (HDO) liên quan đến việc loại bỏ chúng. Có nhiều con đường phản ứng có thể xảy ra. Chúng bao gồm demethoxylation và dehydroxylation. Xúc tác ảnh hưởng đến con đường ưu tiên. Điều này quyết định loại sản phẩm cuối cùng được hình thành. Một số xúc tác thúc đẩy khử metoxyl mạnh mẽ. Số khác tập trung vào khử hydroxyl. Mục tiêu là sản xuất hydrocarbon thơm hoặc mạch thẳng. Các hydrocarbon này có giá trị cao trong ngành nhiên liệu. Tránh sản phẩm phụ không mong muốn là ưu tiên hàng đầu.
4.1. Con đường Phản ứng Hydrodeoxygenation
Hydrodeoxygenation (HDO) của guaiacol diễn ra qua nhiều bước. Bước đầu tiên thường là demethoxylation. Nhóm metoxyl bị loại bỏ. Điều này tạo ra phenol. Sau đó, phenol trải qua quá trình dehydroxylation. Nhóm hydroxyl bị loại bỏ hoàn toàn. Điều này hình thành các hydrocarbon thơm như benzen. Song song đó, có thể xảy ra quá trình hydro hóa vòng thơm. Điều này tạo ra các hợp chất no. Một số con đường khác có thể liên quan đến việc mở vòng. Điều này tạo ra hydrocarbon mạch thẳng. Sự cân bằng giữa các con đường này phụ thuộc vào xúc tác. Nó cũng phụ thuộc vào điều kiện phản ứng cụ thể.
4.2. Ảnh hưởng Xúc tác đến Sản phẩm
Xúc tác đóng vai trò quyết định trong HDO. Nó định hướng con đường phản ứng HDO ưu tiên. Xúc tác kim loại quý (Ru/C, Pd/C) thường có tính hydro hóa mạnh. Chúng có thể thúc đẩy việc tạo ra các hydrocarbon no. Xúc tác kim loại chuyển tiếp (NiMo, CoMo) có thể hoạt động khác. Chúng có thể ưu tiên khử oxy mà ít hydro hóa vòng hơn. Điều này tạo ra nhiều hydrocarbon thơm hơn. Cấu trúc lỗ xốp của vật liệu hỗ trợ cũng quan trọng. Nó ảnh hưởng đến sự khuếch tán chất phản ứng. Điều này tác động đến độ chọn lọc sản phẩm cuối cùng. Việc thiết kế xúc tác phải cân nhắc kỹ lưỡng. Mục tiêu là đạt được sản phẩm mong muốn với hiệu suất cao.
4.3. Quá trình Khử oxy Hóa chọn lọc
Khử oxy hóa chọn lọc là mục tiêu chính trong HDO. Nó tập trung vào việc loại bỏ oxy hiệu quả nhất. Đồng thời, nó cần bảo toàn cấu trúc carbon mong muốn. Ví dụ, việc giữ lại vòng thơm rất quan trọng. Điều này giúp tạo ra các thành phần nhiên liệu xăng có chỉ số octan cao. Quá trình chọn lọc cao có thể tránh hydro hóa vòng thơm. Hydro hóa quá mức làm giảm giá trị năng lượng của sản phẩm. Nó cũng có thể tạo ra các sản phẩm không mong muốn. Xúc tác cần cân bằng hoạt tính axit và kim loại. Hoạt tính axit giúp phá vỡ liên kết C-O. Hoạt tính kim loại cung cấp hydro. Điều chỉnh tỷ lệ này là chìa khóa. Nó giúp đạt được độ chọn lọc cao.
V.Ứng dụng HDO Guaiacol trong Sản xuất Nhiên liệu
Quá trình hydrodeoxygenation (HDO) của guaiacol có ý nghĩa lớn. Nó là một bước tiến quan trọng trong sản xuất nhiên liệu sinh học. HDO chuyển đổi guaiacol, một chất mẫu, thành hydrocarbon. Những hydrocarbon này có thể được sử dụng trực tiếp. Chúng là thành phần trong xăng, diesel hoặc nhiên liệu máy bay. Công nghệ này giúp nâng cấp dầu sinh học thô. Nó biến dầu sinh học thô thành sản phẩm có giá trị cao. Điều này giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Nó cũng góp phần vào phát triển kinh tế tuần hoàn. Ứng dụng này có tiềm năng công nghiệp lớn. Nó cung cấp một con đường bền vững. Điều này sản xuất năng lượng và hóa chất từ sinh khối.
5.1. Tiềm năng Nâng cấp Bio oil thành Nhiên liệu
Bio-oil có tiềm năng lớn. Nó là nguồn năng lượng tái tạo dồi dào. Tuy nhiên, chất lượng thấp hạn chế ứng dụng. HDO cung cấp giải pháp hiệu quả. Nó nâng cấp bio-oil thành nhiên liệu cao cấp. Các sản phẩm HDO có thể tích hợp vào nhà máy lọc dầu hiện có. Chúng có thể được pha trộn với nhiên liệu truyền thống. Điều này không yêu cầu thay đổi lớn về cơ sở hạ tầng. Nó cho phép chuyển đổi từ nhiên liệu hóa thạch. Đây là một con đường thực tế để giảm lượng khí thải carbon. HDO giúp bio-oil trở thành một phần quan trọng. Nó tham gia vào hỗn hợp năng lượng tương lai.
5.2. Chuyển đổi Guaiacol sang Hydrocarbon
Quá trình chuyển đổi guaiacol thành hydrocarbon là mục tiêu chính. Guaiacol, chứa oxy, được biến đổi hiệu quả. Sản phẩm cuối cùng là hydrocarbon không chứa oxy. Các hydrocarbon này có thể là alicyclic hoặc aliphatic. Chúng có thể được sử dụng làm thành phần nhiên liệu. Ví dụ, cyclohexan, methylcyclohexan có thể được tạo ra. Những chất này có số octan cao. Chúng thích hợp làm phụ gia xăng. Việc kiểm soát chọn lọc sản phẩm là quan trọng. Điều này đảm bảo hiệu quả kinh tế của quá trình. Nghiên cứu tìm kiếm các xúc tác mới. Xúc tác này tối ưu hóa việc tạo ra hydrocarbon mong muốn.
5.3. Sản xuất Hóa chất Giá trị từ Bio oil
Ngoài nhiên liệu, HDO cũng có thể tạo ra hóa chất giá trị. Các sản phẩm trung gian trong quá trình HDO có thể được thu hồi. Ví dụ, phenol có thể được sản xuất từ guaiacol. Phenol là một hóa chất nền công nghiệp quan trọng. Nó được sử dụng trong sản xuất nhựa, sợi và dược phẩm. Khả năng điều chỉnh độ chọn lọc HDO là chìa khóa. Điều này giúp kiểm soát sản phẩm cuối cùng. Mục tiêu là tối đa hóa giá trị kinh tế. HDO có thể là một nền tảng linh hoạt. Nó dùng để sản xuất cả nhiên liệu và hóa chất. Điều này tăng cường tính bền vững của ngành công nghiệp sinh học.
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (197 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộSTATUS OF THESIS Catalytic hydrodeoxygenation of guaiacol and its application in bio-oil Title of thesis upgrading TRAN THI TO NGA I _________________________________________________________________________ hereby allow my thesis to be placed at the Information Resource Center (IRC) of Universiti Teknologi PETRONAS (UTP) with the following conditions: 1. The thesis becomes the property of UTP 2. The IRC of UTP may make copies of the thesis for academic purposes only. This thesis is classified as Confidential Non-confidential If this thesis is confidential, please state the reason: ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ The contents of the thesis will remain confidential for ___________ years.
Remarks on disclosure: ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ Endorsed by ________________________________ __________________________ Signature of Author Signature of Supervisor 22 Chau Hiep Permanent address:________________ Name of Supervisor town, Nam Phuoc ward, Duy Xuyen ________________________________ Prof. Yoshimitsu Uemura __________________________ district, Quang Nam province, ________________________________ Vietnam ________________________________ Date : _____________________ Date : __________________ UNIVERSITI TEKNOLOGI PETRONAS CATALYTIC HYDRODEOXYGENATION OF GUAIACOL AND ITS APPLICATION IN BIO-OIL UPGRADING by TRAN THI TO NGA The undersigned certify that they have read, and recommend to the Postgraduate Studies Programme for acceptance this thesis for the fulfillment of the requirements for the degree stated. Signature: ______________________________________ Main Supervisor: Prof. Yoshimitsu Uemura ______________________________________ Signature: ______________________________________ Co-Supervisor: Assoc.
Anita Bt Ramli ______________________________________ Signature: ______________________________________ Head of Department: Assoc. Suriati Bt Sufian ______________________________________ Date: ______________________________________ CATALYTIC HYDRODEOXYGENATION OF GUAIACOL AND ITS APPLICATION IN BIO-OIL UPGRADING by TRAN THI TO NGA A Thesis Submitted to the Postgraduate Studies Programme as a Requirement for the Degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY CHEMICAL ENGINEERING UNIVERSITI TEKNOLOGI PETRONAS BANDAR SERI ISKANDAR, PERAK OCTOBER 2018 DECLARATION OF THESIS Catalytic hydrodeoxygenation of guaiacol and its application in bio-oil Title of thesis upgrading TRAN THI TO NGA I _________________________________________________________________________ hereby declare that the thesis is based on my original work except for quotations and citations which have been duly acknowledged. I also declare that it has not been previously or concurrently submitted for any other degree at UTP or other institutions. Witnessed by ________________________________ __________________________ Signature of Author Signature of Supervisor 22 Chau Hiep Permanent address:________________ Name of Supervisor town, Nam Phuoc ward, Duy Xuyen ________________________________ Prof.
Yoshimitsu Uemura __________________________ district, Quang Nam province, ________________________________ Vietnam ________________________________ Date : _____________________ Date : __________________ DEDICATION To my family for their unconditional love, encouragement and support. To my supervisor who always be the inspiration for this thesis. v ACKNOWLEDGEMENTS I would like to express my deepest gratitude and appreciation to my supervisor, Prof. Yoshimitsu Uemura, for his excellent and constant guidance, patience, generous support, and encouragement.
I am also very thankful to my co-supervisors, AP. Anita Binti Ramli and Dr. Sujan Chowdhury, for tremendous support and valuable discussion. Moreover, I would like to offer my most profound gratitude to Centre for Biofuel and Biochemical Research, and Chemical Engineering department, Universiti Teknologi PETRONAS, Malaysia for providing a congenial work environment and state-of-the-art research facilities.
I gratefully acknowledge Prof. Masaharu Komiyama and Prof. Taufiq Yap Yun Hin for their valuable supports, comments and suggestions. I would like to acknowledge the financial support from Mitsubishi Corporation Educational Trust Fund and Universiti Teknologi PETRONAS, Malaysia.
Last but not least, I would like to thank to my parents for raising, loving and supporting me all my life; to my brother for his guideline in my childhood; to my husband, Trinh Hoai Thanh, for being on my side, supporting, inspiration and encouraging me to achieve my goals; and to my daughter for what she means to my life. vi ABSTRACT Fast pyrolysis of lignocellulosic biomass is an attractive thermochemical conversion process to produce bio-oil as an alternative liquid fuel source. Upgrading of bio-oil via hydrodeoxygenation (HDO) is an important route to accomplish this renewable energy production process. However, there are still some challenges such as high hydrogen consumption, carbon loss, catalyst deactivation, complex reaction network, and limitation in upgrading of real bio-oil.
In this study, Al-MCM-41 supported monometallic (Ni, Co and Fe) and bimetallic (Pd-Co and Pd-Fe) catalysts were prepared, characterized and evaluated for HDO of guaiacol at atmospheric pressure in a fixed-bed continuous flow reactor. A detail kinetic model has been established for HDO of guaiacol over Pd-Co and Pd-Fe catalysts. Furthermore, Pd-Fe and Pd-Co catalysts were screened for successive pyrolysis and catalytic upgrading of lignin to produce bio-oil. In vapor-phase HDO of guaiacol, Ni was found as an active metal for methanization activity while Co favored the deoxygenation activity.
The Co/Al-MCM-41 catalyzed not only HDO to remove oxygen but also transalkylation to prevent the carbon loss via methanization. Furthermore, increasing reaction temperature improved the HDO and suppressed the hydrogenation but promoted the methanization activities. In comparison with Co catalyst, Fe catalyst had higher HDO yield and lower gas-phase yield in HDO of guaiacol. Moreover, bimetallic Pd-Co and Pd-Fe shown higher stability and HDO yield than monometallic Co and Fe.
The addition of Pd enhanced significantly the stability of both Co and Fe catalysts since it might prevent the coke formation during the HDO reaction. Pd-Fe had higher stability, regeneration ability and lower gasification activity than Pd-Co catalyst. From the kinetic model, guaiacol was converted to phenol through demethoxylation over Pd-Fe catalyst while it was transformed to catechol and further to phenol over Pd-Co catalyst. The lignin-derived bio-oil mainly contained phenolic compounds which have one to three oxygen atoms.
The catalytic upgrading could eliminate significantly the oxygen vii in phenolic molecular to produce the lower oxygen content bio-oil. In summary, Pd-Fe/Al-MCM-41 present as a suitable catalyst for upgrading of lignin-derived bio- oil since it produced not only more monooxygenated phenolic but also less dioxygenated, trioxygenated and gas-phase products than Pd-Co catalyst. viii ABSTRAK Pirolisis pantas dengan menggunakan biomas lignoselulosa merupakan proses penukaran termokimia yang berkesan untuk menghasilkan bio-minyak yang memainkan peranan sebagai sumber alternatif bahan api cecair. Penaikkan taraf bio- minyak melalui hidrodeoksigenasi (HDO) merupakan laluan proses yang penting untuk memastikan pengeluaran tenaga yang boleh diperbaharui lancar.
Walau bagaimanapun, masih terdapat banyak cabaran seperti penggunaan hidrogen yang tinggi, kehilangan karbon, penyahaktifan pemangkin, rangkaian reaksi yang kompleks, dan had dalam peningkatan bio-minyak tulen. Dalam kajian ini, Al-MCM-41 menyokong mono-logam (Ni, Co dan Fe) dan bi-logam (Pd-Co dan Pd-Fe) pemangkin dikategorasikan dan dinilai untuk HDO guaikol yang beroperasi pada tekanan atmosfera dalam reaktor tetap. Model kinetik yang terperinci iaitu HDO guaikol melalui pemangkin Pd-Co dan Pd-Fe telah dihasilkan. Selain daripada itu, pemangkin Pd-Fe dan Pd-Co telah dikaji melalui pirolisis berturutan dan peningkatan lignin untuk menghasilkan bio-minyak.
Tambahan pula, bi-logam Pd-Fe dan Pd-Co pemangkin disaring untuk. Dalam fasa wap HDO, Ni telah dijumpai sebagai logam aktif untuk aktiviti pembukaan cincin manakala Co lebih sesuai untuk aktiviti deoksigenasi. Co/Al-MCM-41 pemangkin bukan sahaja HDO untuk mengeluarkan oksigen tetapi transaklisasi untuk mengelakkan kehilangan karbon melalui aktiviti metanisasi. Selainitu, meringgikai suhu reaksi telah bertanbah baik HDO dan merirdas hidrogerasi, tetapi merggalakkar aktiviti metarisasi.
Dalam membandingkan dengan pemangkin Co, pemangkin Fe mempunyai HDO hasil yang lebih tinggi dan hasil fasa gas yang kurang dalam HDO guaikol. Selain itu, bi-logam Pd-Co dan Pd-Fe menunjukkan kestabilan yang lebih tinggi dan hasil HDO daripada mono-logam Co dan Fe. Penambahan Pd meningkatkan dengan ketara kestabilan pemangkin Co dan Fe sebab pemangkin yang dinyatakan mungkin dapat mengelakkan pembentukan kok semasa reaksi HDO. Pd-Fe mempunyai kestabilan yang lebih tinggi, keupayaan penjanaan semula dan aktiviti gasifikasi yang lebih rendah daripada ix pemangkin Pd-Co.
Daripada model kinetik, guaiacol telah ditukar kepada fenol melalui demethoxylation dengan pemangkin Pd-Fe manakala ia telah berubah kepada catechol dan seterusnya kepada fenol dengan pemangkin Pd-Co. Lignin yang diperolehi daripada bio-minyak terutamanya mengandungi sebatian fenolik yang mempunyai satu hingga tiga atom oksigen. Penaik taraf pemangkin dapat menghapuskan oksigen dalam molekul fenolik untuk menghasilkan bio-minyak dengan kandungan oksigen yang rendah. Ringkasnya, Pd-Fe/Al-MCM-41 hadir sebagai pemangkin yang sesuai untuk menaik taraf bio-minyak lignin kerana ia menghasilkan bukan sahaja menghasillar lebih bayak mono-oksigen fenol, tetapi juga kurang diokseganisi, tri-oksigenasi dan fasa gas produk berbanding pemangkin Pd-Co.
x In compliance with the terms of the Copyright Act 1987 and the IP Policy of the university, the copyright of this thesis has been reassigned by the author to the legal entity of the university, Institute of Technology PETRONAS Sdn Bhd. Due acknowledgement shall always be made of the use of any material contained in, or derived from, this thesis. © Tran Thi To Nga, 2018 Institute of Technology PETRONAS Sdn Bhd All rights reserved. xi TABLE OF CONTENT ABSTRACT.
ix LIST OF FIGURES. xv LIST OF TABLES. xx LIST OF ABBREVIATION. xxi LIST OF SYMBOLS.
xxiii CHAPTER 1 INTRODUCTION .1 Back ground of study .4 Scope of Research. 7 CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW .1 Bio-oil production .2 Bio-oil properties .3 Upgrading of bio-oil .1 Catalyst in HDO .3 HDO of actual oil in batch reactor .4 HDO of actual bio-oil in continuous flow reactor .5 HDO of guaiacol in continuous flow reactor .4 Catalyst deactivation and regeneration .5 HDO reactions pathway and mechanism .1 Overall Research Project’s Methodology .1 Monometallic Ni and Co catalysts .2 Bimetallic Pd-Me catalysts (Me = Co or Fe) .4 Characterization of catalyst .6 Catalytic HDO of model compound .1 Fixed-bed reactor .2 Catalytic HDO on Al-MCM-41 supported Ni and Co catalysts .3 Catalytic HDO on Al-MCM-41 supported Pd, Fe and Co catalysts .1 Reaction rate equations .2 MATLAB modeling and optimization .8 Catalytic upgrading of lignin-derived bio-oil. 54 CHAPTER 4 RESULTS AND DISCUSSION .1 Al-MCM-41 supported Ni and Co catalysts .2 Al-MCM-41 supported Pd-Co and Pd-Fe catalysts .2 Catalytic HDO of guaiacol .1 GC-FID calibration .2 Blank test for hydrotreatment of guaiacol .3 HDO of guaiacol over Ni and Co catalysts .1 Effect of metal sites .2 Effect of reaction conditions .3 Reaction pathway of HDO of guaiacol on Al-MCM-41 supported Ni and Co .4 Catalyst deactivation and regeneration .4 HDO of guaiacol over bimetallic Pd-Co and Pd-Fe catalysts .1 The synergistic effect of bimetallic in catalytic HDO .3 Kinetic and reaction pathway of catalytic HDO of guaiacol .1 Study on HDO of different feedstock.2 Kinetic study of HDO of guaiacol .2 Kinetic model for bimetallic catalysts .4 Catalytic upgrading of lignin-derived bio-oil .1 Successive of pyrolysis and upgrading process .2 Bio-oil composition. 121 APPENDIX A LIST OF SUPPORTING FIGURES AND TABLES.
139 APPENDIX B SAMPLE CALCULATIONS. 166 APPENDIX C OPTIMIZATION CODE FOR KINETIC USING MATLAB. 168 xiv LIST OF FIGURES Figure 2.1: Products from thermal biomass conversion .2: Pyrolysis for biomass conversion [59].3: Phase behavior of aged bio-oil. LP-raw and LP-310T form gum phase at 9 or 12 months storage while LP-280T and LP-330T keep one phase after 12 months storage [21] (LP-T are pyrolysis oil from torrified biomass).4: Relative peak area percentage distribution of major component of EFB (#75) and pine wood (#85) bio-oil samples [58].5: Reaction pathways for pyrolysis of lignocellulosic biomass [83].6: Number of HDO related publications according to Web of Science (Data retrieved on January 13, 2018 ) [51] .7: Reaction pathway of furfural on Cu catalyst at 1 atm H2 pressure, 290C [128].8: Two reaction possibility of hydrogen with furfural on catalyst surface [128].9: Proposed reaction pathway for the HDO of phenol at 40 bar initial H2 and 473K [129].10: Proposed model for hydrotreating of pine pyrolysis oil [130].1: Flow chart of overall research project.2: Flow chart of catalyst preparation of monometallic catalyst .3: Flow chart of catalyst preparation of bimetallic catalyst .4: A schematic diagram of continuous fixed-bed tubular reactor for catalytic HDO of model compound.5: Flow chart of catalytic HDO of guaiacol on Ni and Co catalysts.6: Flow chart of catalytic HDO of guaiacol on Pd, Fe and Co catalysts.7: A schematic diagram of continuous fixed-bed tubular reactor for catalytic upgrading of lignin-derived bio-oil .1: N2 adsorption (solid line)/desorption (dashdot line) isotherms (A) and BJH pore size distribution (from adsorption branch) (B) of fresh Al-MCM-41 supported Ni and Co catalysts.2: TEM images of fresh catalysts (A) Ni/Al-MCM-41, (B) Co/Al-MCM-41, (C) Ni-Co/Al-MCM-41.3: SEM images combined with EDX spectra of fresh Al-MCM-41 supported Ni and Co catalysts.
A) 10Co/Al-MCM-41, B) 10Ni/Al-MCM-41 .4: XRD patterns of support and fresh metal modified catalysts. A) Fresh and B) reduced catalysts.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Catalytic hydrodeoxygenation of guaiacol for bio-oil upgrading" nghiên cứu về vấn đề gì?
Catalytic hydrodeoxygenation of guaiacol nâng cao chất lượng bio-oil bằng phản ứng xúc tác.
Luận án "Catalytic hydrodeoxygenation of guaiacol for bio-oil upgrading" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại universiti teknologi petronas. Năm bảo vệ: 2018.
Luận án "Catalytic hydrodeoxygenation of guaiacol for bio-oil upgrading" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Catalytic hydrodeoxygenation of guaiacol for bio-oil upgrading" thuộc chuyên ngành Chemical Engineering. Danh mục: Hóa Học.
Luận án "Catalytic hydrodeoxygenation of guaiacol for bio-oil upgrading" có bao nhiêu trang?
Luận án "Catalytic hydrodeoxygenation of guaiacol for bio-oil upgrading" có 197 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Catalytic hydrodeoxygenation of guaiacol for bio-oil upgrading" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.