مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

بهینه‌سازی نفت زیستی حاصل از فرآیند پیرولیز سریع لیگنین کرافت با کاتالیزورهای ناهمگن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران
2 استاد گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران
3 ، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران
4 استاد، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران
10.22034/ijwp.2025.2058619.1704
چکیده
بیان مساله و اهداف: با توجه به بحران جهانی انرژی، ناپایداری بازار سوخت‌های فسیلی و افزایش نگرانی‌های زیست‌محیطی، بهره‌گیری از منابع زیست‌توده‌ای برای تولید انرژی، به‌ویژه سوخت‌های مایع زیستی، اهمیت فزاینده‌ای یافته است. لیگنین به‌عنوان یکی از مهم‌ترین اجزای لیگنوسلولزی، علی‌رغم ارزش حرارتی بالا، به دلیل ساختار پیچیده آروماتیک و محتوای بالای اکسیژن، در فرآیندهای حرارتی مانند پیرولیز چالش‌برانگیز است. سوخت حاصل از پیرولیز ساده لیگنین، معمولاً دارای پایداری پایین، اسیدیته زیاد، چگالی انرژی محدود و ناسازگار با زیرساخت‌های سوختی فعلی است. راهکار پیشنهادی برای بهبود این محدودیت‌ها، استفاده از کاتالیزورهای ناهمگن در فرآیند پیرولیز است که می‌تواند مسیرهای واکنش را به سمت تولید ترکیبات باارزش‌تر و پایداری بیشتر هدایت کند. این پژوهش با هدف بررسی نقش انواع کاتالیزورهای ناهمگن معدنی و فلزی در ارتقاء کیفیت نفت زیستی حاصل از پیرولیز سریع لیگنین کرافت طراحی و اجرا شد.
مواد و روشها: ماده اولیه این تحقیق، لیگنین کرافت استخراج‌شده از مایع پخت سیاه صنایع خمیر و کاغذ کشور بود که پس از خشک‌سازی با اسپری درایر به پودر یکنواخت تبدیل شد. پیرولیز سریع در یک راکتور بستر سیال با بدنه فولادی و المنت گرمایشی داخلی، در دمای 600 درجه سلسیوس و تحت جریان گاز نیتروژن با دبی 660 لیتر در ساعت انجام شد. بیو اویل حاصل در مرحله دوم، به‌منظور ارتقاء کیفی، در یک راکتور بسته جداگانه در دمای 300 درجه سلسیوس و به مدت ۳۰ دقیقه در حضور یکی از چهار کاتالیزور سپیولیت، مونت‌موریلونیت، بازولیت ۱۲۰۰ و کربن-پالادیوم تیمار شد. برای ارزیابی جامع خواص محصولات، از آنالیز عنصری (CHNO)، آزمون تعیین ارزش حرارتی (HHV)، طیف‌سنجی جرمی کروماتوگرافی گازی (GC-MS) و تحلیل گرماوزنی (TGA) استفاده گردید.
نتایج: آنالیز عنصری نشان داد که نمونه‌های کاتالیزوری به‌طور معنی‌داری نسبت به نمونه شاهد، دارای درصد بالاتر کربن و کمتر اکسیژن بودند که به بهبود ارزش حرارتی منجر شد. نمونه حاوی بازولیت ۱۲۰۰، بیشترین مقدار HHV برابر MJ/kg 02/31 را ثبت کرد. کاتالیزور سپیولیت با تولید ترکیبات فنولی متنوعی مانند فنول، متیل‌فنول، کروزول و مشتقات آلکیله، بازده فنولی بالایی برابر با 99/58٪ داشت که نشان‌دهنده هدایت موثر مسیرهای واکنش به سمت تولید ترکیبات ارزشمند است. همچنین، GC-MS ترکیبات سبک‌تر، فرارتر و با اسیدیته کمتر را در محصولات کاتالیزوری شناسایی کرد. به‌طور خاص، کربن-پالادیوم با ساختار متخلخل و حضور فلز پالادیوم، باعث تولید آروماتیک‌های سبک مانند استایرن، نفتالین و ایندن شد که برای سوخت‌های سریع‌الاحتراق بسیار مطلوب هستند. آنالیز TGA نیز نشان داد که سوخت‌های اصلاح‌شده دارای رفتار گرمایی پایدارتر، کاهش یکنواخت‌تر وزن و باقی‌مانده کربنی کمتری (حدود 1015%) بودند که در مقایسه با باقی‌مانده 20 درصدی لیگنین خام، عملکرد بهتری داشتند.
 نتیجه­ گیری: نتایج این پژوهش به‌طور روشن نشان داد که استفاده از کاتالیزورهای ناهمگن در فرآیند پیرولیز سریع لیگنین می‌تواند به‌صورت معناداری ساختار شیمیایی، ارزش حرارتی، پایداری و کیفیت کلی نفت زیستی را ارتقاء بخشد. کاتالیزور سپیولیت به دلیل بازده بالا در تولید فنول‌ها و کاهش ترکیبات ناخواسته، به‌عنوان مؤثرترین گزینه شناخته شد. همچنین بازولیت ۱۲۰۰ با بیشترین افزایش در محتوای کربن و کاهش اکسیژن، بهترین عملکرد را در ارتقاء ارزش حرارتی ارائه کرد. این یافته‌ها نشان می‌دهند که طراحی هدفمند ترکیب و ساختار کاتالیزور، نقش کلیدی در بهینه‌سازی مسیر پیرولیز و تولید سوخت‌های زیستی با کیفیت بالا ایفا می‌کند. بهره‌برداری از این رویکرد، امکان استفاده مؤثر از پسماندهای لیگنوسلولزی را فراهم ساخته و گامی در راستای توسعه پایدار، اقتصاد چرخشی و امنیت انرژی به شمار می‌رود.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Brandt, A.R., Millard‐Ball, A., Ganser, M. and Gorelick, S.M., 2013. Peak oil demand: the role of fuel efficiency and alternative fuels in a global oil production decline. Environmental Science and Technology, 47(14), pp.8031–8041.
[2] Fernandes, S.D., Trautmann, N.M., Streets, D.G., Roden, C.A. and Bond, T.C., 2007. Global biofuel use, 1850–2000. Global Biogeochemical Cycles, 21(2), pp.1–15.
[3] Datta, A., Hossain, A. and Roy, S., 2019. An overview on biofuels and their advantages and disadvantages. Asian Journal of Chemistry, 31(8), pp.1851–1858.
[4] Djurdjevic, M. and Papuga, S., 2023. Torrefaction: Process Parameters and Reactor Design. Periodica Polytechnica Chemical Engineering, 67(3), pp.1–11.
[5] Demirbaş, A. and Arin, G., 2002. An overview of biomass pyrolysis. Energy Sources, 24(5), pp.471–482.
[6] Wrasman, C.J., Wilson, N., Mante, O.D., Iisa, K., Dutta, A., Talmadge, M., Dayton, D., Uppili, S., Watson, M.J., Xu, X., Griffin, M.B., Mukarakate, C., Schaidle, J.A. and Nimlos, M., 2023. Catalytic pyrolysis as a platform technology for supporting the circular carbon economy. Nature Catalysis, 6(7), pp.563–573.
[7] Triantafyllidis, K.S., Stefanidis, S.D., Karakoulia, S.A., Pineda, A., Margellou, A., Kalogiannis, K.G., Iliopoulou, E.F. and Lappas, A.A., 2020. State-of-the-art in biomass fast pyrolysis using acidic catalysts: direct comparison between microporous zeolites, mesoporous aluminosilicates and hierarchical zeolites. Biomass and Biowaste, 5, p.113.
[8] Kariim, I., Swai, H. and Kivevele, T., 2022. Recent advances in thermochemical conversion of biomass into drop-in fuel: a review. Scientific African, 17(1), pp.1–27.
[9] Miandad, R., Barakat, M.A., Rehan, M., Aburiazaiza, A.S., Gardy, J. and Nizami, A.S., 2018. Effect of Advanced Catalysts on Tire Waste Pyrolysis Oil. Process Safety and Environmental Protection, 116, pp.542-552.
[10] Shajari, G. and Gholizadeh, M., 2022. Investigating the Influence of Biochar Catalyst in the Pyrolysis Process of Waste Tire to Produce Fuel. Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering, 41(1), pp. 117–130. (In Persian).
[11] Moradi, P. and Saidi, M., 2020. Upgrading of Lignin-derived bio-oils: Hydrodeoxygenation process of anisole using platinum catalyst. Petroleum Research, 30(114), pp.30–41. (In Persian).
[12] Martínková, L., Grulich, M., Pátek, M., Křístková, B. and Winkler, M., 2023. Bio-based valorization of lignin-derived phenolic compounds: A review. Biomolecules, 13(5), pp.1–25.
[13] Maenpuen, S., Tinikul, R., Chenprakhon, P. and Chaiyen, P., 2018. Production of valuable phenolic compounds from lignin by biocatalysis: state-of-the-Art perspective. Emerging Areas in Bioengineering, 7, pp.105–123.
[14] Zhang, X., Chen, Q., Zhang, Q., Wang, C., Ma, L. and Xu, Y., 2018. Conversion of pyrolytic lignin to aromatic hydrocarbons by hydrocracking over pristine MoO3 catalyst. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 135, pp.60–66.
[15] Mullen, C.A. and Boateng, A.A., 2010. Catalytic pyrolysis-GC/MS of lignin from several sources. Fuel Processing Technology, 91(11), pp.1446–1458.
[16] Xiang, A., Ebdon, J.R., Horrocks, A.R. and Kandola, B.K., 2022. On the utility of thermogravimetric analysis for exploring the kinetics of thermal degradation of lignins. Bioresource Technology Reports, 20, pp.1–12.