Alternative fuel production using bio-oils from the forest sector -Fundamental studies of catalyst deactivation

Produktionen av drivmedel från biomassa via biooljor har identifierats som potentiellt ekonomiskt fördelaktig jämfört med alternativa processer. Den mycket högre syrehalten i biooljor (35-40%) är en av de största skillnaderna jämfört med råolja (1%). Som ett resultat är biooljor surare och kemiskt mindre stabila, vilket resulterar i en ökning i molekylvikt, viskositet och vatteninnehåll. Dessa egenskaper gör biooljor olämpliga som bränsle utan någon form av uppgradering, såsom ?hydrodeoxygenation? (HDO). HDO är en process vid högt tryck, där väte används för att avlägsna syre från biooljan för att ge en produkt liknande råolja. Framsteg har gjorts för att förstå den grundläggande kemin som sker under HDO och detaljerade reaktionsscheman med modellföreningar finns i litteraturen. Många katalysatormaterial med varierande effektivitet är undersökta. Ett vanligt problem med katalysatorerna är den korta livslängden pga förgiftning, genom kolbildning och denna förgiftning minskar utbytet av produkten. Det finns fortfarande bara begränsade kunskaper om mekanismerna för denna kolbildning och dess kinetik. Därtill, biomassa och biooljor innehåller andra orenheter, främst alkali och alkaliska jordartsmetaller men även tungmetaller och fosfolipider. Dessa föreningar kan orsaka förgiftning av katalysatorerna. Det är mycket få studier publicerade på effekten av metaller på katalysatorer för HDO av bio-olja och för effekten av fosfolipider finns det, så vitt vi vet, inga akademiska studier publicerade. Syftet med detta projekt är att undersöka de grundläggande mekanismerna för påverkan av HDO katalysatorer av dessa gifter. Vi kommer att studera typiska vätebehandlingskatalysatorer, som sulfiderad Ni och Mo innehållande material, men även andra katalysatorer kan undersökas under projektet. De experimentella studierna kommer att genomföras under realistiska HDO hydrogeneringsbetingelser i vätskefas vid högt tryck och hög temperatur. Produkterna kommer att analyseras mha gas-kromatograf (GC), vätskekromatograf (HPLC) och Fouriertransform infraröd spektroskopi (FTIR). Projektet startar med att undersöka gifterna fosfolipider och kalcium och om utrymme finns inom projekttiden kommer även fler gifter att studeras. Färska och deaktiverade katalysatorer kommer att karakteriseras noggrant, mha BET area, röntgendiffraktion (XRD), röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), temperaturprogrammerad reduktion (TPR) och UV-vis spektroskopi. Induktivt kopplad plasma-atomemissionsspektroskopi (ICP-AES) kommer att användas för att detektera mängden gift på katalysatorn efter olika reaktorbetingelser som tryck, temperatur och koncentration av gift. Vi kommer också att studera effekten av partikelstorleken av Ni och Mo. Detta är av intresse eftersom partiklar av olika storlekar exponerar olika ytor och olika mängd steg och terrasssäten och vi kan då få information angående vilka säten som förgiftas starkast. Denna information kan vara viktig när man designar nya katalysatorer. En annan del av projektet är att undersöka om gifterna kan omfördelas under reaktionsbetingelser och i så fall hur denna process går till. Mha den samlade kunskapen från dessa experiment kommer vi att föreslå grundläggande mekanismer för förgiftningen av dessa katalysatorer. Därefter kommer vi att utveckla kinetikmodeller för deaktiveringen av katalysatorn pga fosfolipider. I en kinetikmodell bestäms vilka mekanismer som kan förklara de experimentella observationerna. Vidare beräknas reaktionshastigheterna för dessa processer. Målet med modellen är att öka den grundvetenskapliga förståelsen av deaktiveringsmekanismen, undersöka hastighetsbestämmande steget och modellen kan även användas för reaktordesign. Exempel på specifika frågor vi ställer oss i detta projekt är: ? På vilka säten sker reaktionerna? ? Hur interagerar gifterna med katalysatorytan? ? Är interaktionerna med supportet viktigt? ? Omfördelar sig gifterna under reaktionsbetingelser? ? Hur påverkas kristallstrukturen, oxidationstillståndet och ytarean av dessa gifter? ? Hur förändras mekanismen och selektiviten av HDO när katalysatorn förgiftas? ? Etc. Målet med forskningen i detta projekt är utökad förståelse av reaktionerna på katalysatorytan och vad som bestämmer deaktiveringen. Denna information kan senare användas för att vidareutveckla katalysatorformuleringen mot en mer stabil katalysator. Vidare kan modellen användas för att designa reaktorkonfigurationer på exempelvis raffinaderier.

Participants

Louise Olsson (contact)

Professor at Chemistry and Chemical Engineering, Chemical Reaction Engineering

Funding

Formas

Funding years 2014–2018

Related Areas of Advance and Infrastructure

Sustainable Development

Chalmers Driving Force

More information

Latest update

2015-09-04