Kartlegging av katalysatorer og enkle studier av reaksjonsmekanismen i LtL-prosessen

Abstract

Det forskes mye på å utnytte lignocellulosisk biomasse som råmateriale for produksjon av energi, kjemikalier og materialer. Dette kan bidra til å begrense bruken av fossilt petroleum og dermed imøtekomme kravene om å legge til rette for en bærekraftig framtid. Utnyttelse av karbohydratfraksjonen i biomasse er nært kommersialisert, men 1/3 av biomassen består også av den relativt verdiløse komponenten lignin, som også må nyttiggjøres i et bærekraftig perspektiv. Lignin-to-Liquid er en termokjemisk solvolyseprosess som benytter maursyre som hydrogendonor for å depolymerisere og samtidig hydrodeoksygenere lignin til et mer verdifullt oljeprodukt. Oljen er blandbar med petroleumsfraksjoner, men inneholder en del oksygen typisk i form av fenolforbindelser. Dette vil blant annet øke polariteten, redusere brennverdien og kan forårsake ustabilitet ved lagring. Ni-Mo/Al_2O_3 brukes mye som industriell katalysator for å fjerne heteroatomer som for eksempel svovel, nitrogen og oksygen fra konvensjonell råolje. I denne oppgaven har det blitt undersøkt om Ni-Mo støttet på varianter av Al_2O_3 samt ZrO_2 kan brukes som katalysatorer for å bidra til økt depolymerisering og hydrodeoksygenering av lignin. En ønsket effekt av katalysatorene er at de høye oljeutbyttene kan opprettholdes, mens reaksjonstid og temperatur reduseres, og at den kjemiske kvaliteten av oljeproduktet potensielt blir forbedret. Det har blitt utført blant annet GC-MS, FT-IR, GPC og elementanalyse av produktene for å vurdere effekten av de forskjellige katalysatorene. Resultatene viste at bruken av katalysator øker oljeutbyttet, samtidig som mangfoldet av fenoliske forbindelser ble større og antallet katekol- og guaiakolforbindelser ble redusert. Katalysatorene med mer aktiv overflate så også ut til å øke hydrogen-innholdet i oljen i større grad enn katalysatorene uten Ni-Mo-overflate. Den katalysatoren som ga de mest gunstige produktutbyttene og best kvalitet på oljen, var hydrogenert Ni-Mo støttet på sulfidert Al_2O_3 (H- NiMoAA). Ved 6 timer og 340 °C resulterte denne i et oljeutbytte på hele 64,5 %vekt av lignin. Dette var 61 % høyere enn de tilsvarende forsøkene uten bruk av katalysator. Ved 10 timer og 300 °C var oljeutbyttene betydelig lavere, og det var hydrogenert Ni-Mo støttet på sulfidert ZrO_2 (H- NiMoZA) som viste størst katalytisk aktivitet og resulterte i høyest oljeutbytte av de testede katalysatorene. I tillegg har det blitt syntetisert modellforbindelser av lignin som ble identifisert ved GC-MS, 1^H-NMR og 13^C-NMR. Den ene modellforbindelsen ble brukt i en rekke eksperimenter både med og uten katalysator, for å undersøke hvilke produkter som dannes ved bestemte reaksjonstider. Det viste seg at katalysatoren bidrar til raskere dekomponering av maursyre og dermed raskere frigjøring av hydrogengass til systemet. Katalysatoren legger også til rette for en rekke substitusjonsreaksjoner, i stedet for bare dekomponering og radikalreaksjoner.