Een nieuw meerfasig proces bij lage temperatuur voor het opwaarderen van lignine-bio-olie tot koolwaterstoffen zou kunnen helpen het gebruik van de lignine uit te breiden, dat nu grotendeels een afvalproduct is dat overblijft bij de productie van cellulose en bio-ethanol uit bomen en andere houtachtige planten.

Met behulp van een dubbel katalysatorsysteem van superzuur- en platinadeeltjes, onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben aangetoond dat ze waterstof kunnen toevoegen en zuurstof kunnen verwijderen uit lignine bio-olie, waardoor de olie nuttiger wordt als brandstof en als bron van chemische grondstoffen. Het proces, gebaseerd op een ongebruikelijke waterstofcyclus, kan worden gedaan bij lage temperatuur en omgevingsdruk, verbetering van de uitvoerbaarheid van de upgrade en vermindering van de benodigde energie-input.

"Vanuit het oogpunt van milieu en duurzaamheid, mensen willen olie uit biomassa gebruiken, " zei Yulin Deng, een professor aan de Georgia Tech's School of Chemical and Biomolecular Engineering en het Renewable Bioproducts Institute. "De wereldwijde productie van lignine uit de papier- en bio-ethanolproductie bedraagt ​​jaarlijks 50 miljoen ton, en meer dan 95% daarvan wordt gewoon verbrand om warmte te genereren. Mijn laboratorium is op zoek naar praktische methoden om lignineverbindingen met een laag molecuulgewicht te upgraden om ze commercieel levensvatbaar te maken als hoogwaardige biobrandstof en biochemicaliën."

Het proces werd op 7 september beschreven in het tijdschrift Natuur Energie . Het onderzoek werd ondersteund door het Renewable Bioproducts Institute van Georgia Tech.

Cellulose, hemicellulosen, en lignine worden gewonnen uit bomen, grassen en andere biomassamaterialen. De cellulose wordt gebruikt om papier te maken, ethanol en andere producten, maar de lignine - een complex materiaal dat de planten kracht geeft - wordt grotendeels ongebruikt omdat het moeilijk af te breken is tot oliën met een lage viscositeit die als uitgangspunt kunnen dienen voor kerosine of dieselbrandstof.

Pyrolysetechnieken bij temperaturen van meer dan 400 graden Celsius kunnen worden gebruikt om bio-oliën zoals fenolen te maken uit de lignine, maar de oliën hebben onvoldoende waterstof en bevatten te veel zuurstofatomen om als brandstof bruikbaar te zijn. De huidige benadering om die uitdaging aan te gaan, omvat het toevoegen van waterstof en het verwijderen van zuurstof via een katalytisch proces dat bekend staat als hydrodeoxygenatie. Maar dat proces vereist nu hoge temperaturen en drukken die tien keer hoger zijn dan omgevings-, en het produceert verkoling en teer die de efficiëntie van de platinakatalysator snel verminderen.

Deng en collega's wilden een nieuw op oplossingen gebaseerd proces ontwikkelen dat waterstof zou toevoegen en de zuurstof uit de oliemonomeren zou verwijderen met behulp van een waterstofbufferkatalytisch systeem. Omdat waterstof zeer beperkt oplosbaar is in water, de hydrogenerings- of hydrodeoxygeneringsreactie van lignine-biobrandstof in oplossing is erg moeilijk. Deng's groep gebruikte polyoxometalaatzuur (SiW ₁₂ ) als zowel een waterstofoverdrachtsmiddel als een reactiekatalysator die helpt bij het overbrengen van waterstofgas van de gas-vloeistof interfase naar de bulkoplossing door een omkeerbare waterstofextractie. Het proces bracht vervolgens waterstof vrij als een actieve soort H* op een platina-op-koolstof nanodeeltjesoppervlak, die het belangrijkste probleem van de lage oplosbaarheid van waterstof in water bij lage druk oploste.

"Op platina, het polyoxometalaatzuur vangt de lading van de waterstof op om H . te vormen ⁺ die oplosbaar is in water, maar de ladingen kunnen omkeerbaar terug naar H . worden overgebracht ⁺ om actief H* in de oplossing te vormen, " zei Deng. Als een schijnbaar resultaat, waterstofgas wordt overgebracht naar de waterfase om actief H* te vormen dat direct kan reageren met lignine-olie in de oplossing.

In het tweede deel van de ongebruikelijke waterstofcyclus, het polyoxometalaatzuur vormt de basis voor het verwijderen van zuurstof uit de bio-oliemonomeren.

"Het superzuur kan de activeringsenergie verminderen die nodig is voor het verwijderen van de zuurstof, en op hetzelfde moment, u heeft meer actieve waterstof H* in de oplossing, die reageert op de moleculen van olie, " Deng said. "In the solution there is a quick reaction with active hydrogen atom H* and lignin oil on the surface of the catalyst. The reversible reaction of hydrogen with polyoxometalate to form H ⁺ and then to hydrogen atom H* on platinum catalyst surface is a unique reversible cycle."

The platinum particles and polyoxometalate acid can be reused for multiple cycles without reducing the efficiency. The researchers also found that the efficiency of hydrogenation and hydrodeoxygenation of lignin oil varied depending on the specific monomers in the oil.

"We tested 15 or 20 different molecules that were produced by pyrolysis and found that the conversion efficiency ranged from 50 percent on the lower end to 99 percent on the higher end, " Deng said. "We did not compare the energy input cost, but the conversion efficiency was at least ten times better than what has been reported under similar low temperature, low hydrogen pressure conditions."

Operating at lower temperatures—below 100 degrees Celsius—reduced the problem of char and tar formation on the platinum catalyst. Deng and his colleagues found that they could use the same platinum at least ten times without deterioration of the catalytic activity.

Among the challenges ahead are improving the product selectivity by using different metal catalyst system, and developing new techniques for separation and purification of the different lignin biochemicals in the solution. Platinum is expensive and in high demand for other applications, so finding a lower-cost catalyst could boost the overall practicality of the process—and perhaps make it more selective.

While helping meet the demand for bio-based oils, the new technique could also benefit the forest products, paper and bioethanol industries by providing a potential revenue stream for lignin, which is often just burned to produce heat.

"The global lignin market size was estimated at $954.5 million in 2019, which is only a very small portion of the lignin that is produced globally. Duidelijk, the industry wants to find more applications for it by converting the lignin to chemicals or bio-oils, " Deng said. "There would also be an environmental benefit from using this material in better ways."