نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

تولید سوخت زیستی به روش پیرولیز با استفاده از کاتالیست های برپایه زئولیت و چار زیستی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
1 گروه شیمی کاربردی، دانشکده شیمی، پردیس علوم، دانشگاه تهران، تهران، ایران
2 گروه شیمی کاربردی، دانشکده شیمی، پردیس البرز، دانشگاه تهران، تهران، ایران
چکیده
هدف از انجام این پژوهش تولید سوخت ­زیستی از تفاله زیتون است. خوراک ورودی که ضایعات و تفاله زیتون است از کارخانه تولید روغن زیتون شرکت پیشگامان سازندگی واقع در استان فارس تهیه شد و پس از آماده سازی، آزمون­ های ویژگی ­سنجی مانند آنالیز عنصری CHNSO و آنالیز عناصر فلزی انجام گردید و میزان لیگنین، همی ­سلولز، سلولز، ترکیبات فرار، رطوبت خاکستر و کربن ثابت تفاله زیتون تعیین شد. در این تحقیق فرآیند پیرولیز کاتالیستی جهت ارتقا روغن زیستی مورد بررسی قرار گرفت. کاتالیست­ های مورد استفاده در فرآیند پیرولیز کاتالیستی شامل کاتالیست­ های NiO و Co3O4 روی چار زیستی و زئولیت طبیعی بودند که با استفاده از روش تلقیح سنتز شدند. در این تحقیق از زئولیت طبیعی که بستری با توان بالای تبدیل روغن زیستی به سوخت زیستی و البته ارزان قیمت برای ساخت کاتالیست است استفاده شد. ویژگی­ سنجی کاتالیست­ های مورد استفاده توسط BET، XRD و SEM انجام گرفت. در فرآیند پیرولیز غیرکاتالیستی، تاثیر دما بر بازدهی تولید روغن زیستی بررسی شد. نتایج نشان داد که روغن زیستی غالبا حاوی ترکیبات اکسیژن دار است. برای تمام کاتالیست­ ها، با افزایش کاتالیست، میزان ترکیبات اکسیژن­دار کاهش می­ یابد. برای کاتالیست های برپایه زئولیت، تولید ترکیبات آروماتیک به عنوان ترکیبات با ارزش، افزایش قابل توجهی دارد و برای کاتالیست NiO/Zeolite تولید هیدروکربن­ های آروماتیکی در نسبت کاتالیست به زیست­توده 5/0 و 5 به ترتیب به 84/41% و 91/79 % می­رسد. تولید هیدروکربن­ های آروماتیکی ناشی از اسیدهای چرب به هیدروکربن­ ها طی واکنش کربوکسیل­ زدایی است.  بیشترین میزان حذف اسیدهای چرب برای کاتالیست­ های بر پایه چار زیستی مربوط به کاتالیست Nio/Biochar است. حذف اسیدهای چرب در حضور کاتالیست NiO/Zeolite به طور قابل توجهی انجام می­ پذیرد و برای نسبت کاتالیست به زیست­ توده 5/0 و 5 به ترتیب به 48/44% و 07/10% می­ رسد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Guedes R.E., Luna A.S., Torres A.R., Operating Parameters for Bio-Oil Production in Biomass Pyrolysis: A Review, Journal of analytical and applied pyrolysis, 129: 134-149 (2018).
[2] Rahman M.M., Liu R., Cai J., Catalytic Fast Pyrolysis of Biomass Over Zeolites for High Quality Bio-Oil–A Review, Fuel Processing Technology, 180: 32-46 (2018).
[3] سعیدی، مجید؛ صفری پور، مریم؛ بررسی روش­ های بازیابی و مدیریت گازهای دورریز واحدهای صنعتی به منظور بازگشت به چرخه انرژی، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 41(4): 354-327 (1401).
[4] Biswas B., Pandey N., Bisht Y., Singh R., Kumar J., Bhaskar T., Pyrolysis of Agricultural Biomass Residues: Comparative Study of Corn Cob, Wheat Straw, Rice Straw and Rice Husk, Bioresource technology, 237: 57-63 (2017).
[5] Sánchez J., Curt M.D., Robert N., Fernández J., "Biomass Resources", The role of bioenergy in the bioeconomy, Academic Press, 25-111 (2019).
[6] Ruan R., Zhang Y., Chen P., Liu S., Fan L., Zhou N., Ding K., Peng P., Addy M., Cheng Y.,"Biofuels: Introduction", Biofuels: Alternative feedstocks and conversion processes for the production of liquid and gaseous biofuels, Academic Press, 3-43 (2019).
[7] Chen X., Che Q., Li S., Liu Z., Yang H., Chen Y., Wang X., Shao J., Chen H., Recent Developments in Lignocellulosic Biomass Catalytic Fast Pyrolysis: Strategies for the Optimization of Bio-Oil Quality and Yield, Fuel Processing Technology, 196: 106180 (2019).
[8] Yogalakshmi K., Sivashanmugam P., Kavitha S., Kannah Y., Varjani S., AdishKumar S., Kumar G., Lignocellulosic Biomass-Based Pyrolysis: A Comprehensive Review, Chemosphere, 286: 131824 (2022).
[9] ستاری، بهنام؛ قلی زاده، مرتضی؛ محمد پور فرد، موسی؛ تجزیه و تحلیل ترکیب­ های به دست آمده از پیرولیز انواع چوب و بررسی اثرهای زیست‌محیطی آن‌ها، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 39(1): 253-239 (1399).
[11] Zhang Y., Cui Y., Liu S., Fan L., Zhou N., Peng P., Wang Y., Guo F., Min M., Cheng Y., Fast Microwave-Assisted Pyrolysis of Wastes for Biofuels Production–A Review, Bioresource technology, 297: 122480 (2020).
[12] Brown R.C., Wang K.,"Fast Pyrolysis of Biomass: Advances in Science and Technology, in Prospects for Fast Pyrolysis of Biomass", Royal Society of Chemistry, london, 1-11 (2017).
[13] Tabatabaei M., Soltanian S., Aghbashlo M., Nizami A.S., Fast Pyrolysis of Biomass: Advances in Science and Technology: A Book Review, Journal of Cleaner Production, 213: 1411-1413 (2019).
[14] Dabros T.M., Stummann M.Z., Høj M., Jensen P.A., Grunwaldt J. D., Gabrielsen J., Mortensen P.M., Jensen A.D., Transportation Fuels from Biomass Fast Pyrolysis, Catalytic Hydrodeoxygenation, and Catalytic Fast Hydropyrolysis, Progress in Energy and Combustion Science, 68: 268-309 (2018).
[15] Bridgwater A.V., Review of Fast Pyrolysis of Biomass and Product Upgrading, Biomass and bioenergy, 38: 68-94 (2012).
[16] Resende F.L., Recent Advances on Fast Hydropyrolysis of Biomass, Catalysis Today, 269: 148-155 (2016).
[18] کرامتیان، یوسف؛ قلی زاده، مرتضی؛ بررسی فرایند پیرولیز مخلوط پلی اتیلن ترفتالات و چوب صنوبر در حضور کاتالیست زئولیت برای تبدیل آن به سوخت مایع، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 41(4): 97-81 (1401).
[19] Wang K., Kim K.H., Brown R.C., Catalytic Pyrolysis of Individual Components of Lignocellulosic Biomass, Green Chemistry, 16: 727-735 (2014).
[20] Kumar R., Strezov V., Lovell E., Kan T., Weldekidan H., He J., Dastjerdi B., Scott J., Bio-Oil Upgrading with Catalytic Pyrolysis of Biomass using Copper/Zeolite-Nickel/Zeolite and Copper-Nickel/Zeolite Catalysts, Bioresource technology, 279: 404-409 (2019).
[21] Dai G., Zhu Y., Yang J., Pan Y., Wang G., Reubroycharoen P., Wang S., Mechanism Study on the Pyrolysis of the Typical Ether Linkages in Biomass, Fuel, 249: 146-153 (2019).
[22] Wang G., Dai G., Ding S.,. Wu J., Wang S., A New Insight into Pyrolysis Mechanism of Three Typical Actual Biomass: The Influence of Structural Differences on Pyrolysis Process, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 156: 105184 (2021).
[23] Kawamoto H., Lignin Pyrolysis Reactions, Journal of Wood Science, 63:117-132 (2017).
[24] Weber J., Thompson A., Wilmoth J., Batra V.S., Janulaitis N., Kastner J.R.,  Effect of Metal Oxide Redox State in Red Mud Catalysts on Ketonization of Fast Pyrolysis Oil Derived Oxygenates, Applied Catalysis B: Environmental, 241: 430-441(2019).
[25] شجری، گلناز؛ قلی زاده، مرتضی؛ بررسی اثر کاتالیست بیوچار در فرایند پیرولیز تایر فرسوده برای تولید سوخت، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 41(1): 130-117 (1401).
[26] خدائی، فائزه؛ قلی زاده، مرتضی؛ بررسی اثر کاتالیست بیوچار در فرایند پیرولیز چوب صنوبر برای تولید سوخت، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 41(2): 237-225 (1401).
[27] Tang S., Zhang C., Xue X., Pan Z., Wang D., Zhang R., Catalytic Pyrolysis of Lignin Over Hierarchical HZSM-5 Zeolites Prepared by Post-Treatment with Alkaline Solutions, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 137: 86-95 (2019).
[28] آتشی، فرید؛ قلی نیایی، علی؛ قلی زاده، مرتضی؛ بررسی فرایند پیرولیز کاتالیستی پلی اتیلن ترفتالات در حضور کاتالیست زئولیتی برای تبدیل آن به سوخت مایع، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 41(3): 241-231 (1401).
[29] Jae J., Tompsett G.A., Foster A.J., Hammond K.D., Auerbach S.M., Lobo R.F., Huber G.W., Investigation Into the Shape Selectivity of Zeolite Catalysts for Biomass Conversion, Journal of Catalysis, 279: 257-268 (2011).
[30] Chaihad N., Karnjanakom S., Abudula A., Guan G., Zeolite-Based Cracking Catalysts for Bio-Oil Upgrading: A Critical Review, Resources Chemicals and Material, 1: 167-183 (2022).
[31] Chen H., Cheng H., Zhou F., Chen K., Qiao K., Lu X., Ouyang P., Fu J., Catalytic Fast Pyrolysis of Rice Straw to Aromatic Compounds Over Hierarchical HZSM-5 Produced by Alkali Treatment and Metal-Modification, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 131: 76-84 (2018).
[32] Vichaphund S., Sricharoenchaikul V., Atong D., Selective Aromatic Formation from Catalytic fast Pyrolysis of Jatropha Residues using ZSM-5 Prepared by Microwave-Assisted Synthesis, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 141: 104628 (2019).
[33] Chen X., Chen Y., Yang H., Wang X., Che Q., Chen W., Chen H., Catalytic Fast Pyrolysis of Biomass: Selective Deoxygenation to Balance the Quality and Yield of Bio-Oil, Bioresource technology, 273: 153-158 (2019).
[34] Stefanidis S.D., Kalogiannis K.G., Iliopoulou E., Lappas A., Pilavachi P., In-Situ Upgrading of Biomass Pyrolysis Vapors: Catalyst Screening on a Fixed Bed Reactor, Bioresource technology, 102: 8261-8267 (2011).
[35] Mante O., Dayton D., Carpenter J., Wang K., Peters J., Pilot-Scale Catalytic Fast Pyrolysis of Loblolly Pine Over γ-Al2O3 Catalyst, Fuel, 214: 569-579 (2018).
[36] Zhou L., Yang H., Wu H., Wang M., Cheng D., Catalytic Pyrolysis of Rice Husk by Mixing with Zinc Oxide: Characterization of Bio-Oil and Its Rheological Behavior, Fuel processing technology, 106: 385-391(2013).
[37] Torri C., Reinikainen M., Lindfors C., Fabbri D., Oasmaa A., Kuoppala E., Investigation on Catalytic Pyrolysis of Pine Sawdust: Catalyst Screening by Py-GC-MIP-AED, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 88: 7-13 (2010).
[39] Shan R., Han J., Gu J., Yuan H., Luo B., Chen Y., A Review of Recent Developments in Catalytic Applications of Biochar-Based Materials, Resources, conservation and recycling, 162: 105036 (2020).
[40] تنباکوچی، نگین؛ قلی زاده، مرتضی؛ بررسی فرایند پیرولیز کاتالیستی پلی اتیلن در حضور کاتالیست بیوچار برای تبدیل آن به سوخت مایع، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 40(4): 155-139 (1400).
[41] Zhang L., Yao Z., Zhao L., Li Z., Yi W., Kang K., Jia J., Synthesis and Characterization of Different Activated Biochar Catalysts for Removal of Biomass Pyrolysis Tar, Energy, 232: 120927 (2021).
[43] Wang, G. Dai Y., Yang H., Xiong Q., Wang K., Zhou J., Wang Y. Li, S., A Review of Recent Advances in Biomass Pyrolysis, Energy & fuels, 34: 15557-15578 (2020).
[44] Liu R., Sarker M., Rahman M.M., Chai C. Li, M., Cotillon R., Scott N.R., Multi-Scale Complexities of Solid Acid Catalysts in the Catalytic Fast Pyrolysis of Biomass for Bio-Oil Production–A Review, Progress in Energy and Combustion Science, 80: 100852 (2020).
[45] Kaewpengkrow P., Atong D., Sricharoenchaikul V., Catalytic Upgrading of Pyrolysis Vapors from JATROPHA WASTES using Alumina, Zirconia and Titania Based Catalysts, Bioresource technology, 163: 262-269 (2014).
[46] Christoforou E.A., Fokaides P.A., Banks S.W., Nowakowski D., Bridgwater A.V., Stefanidis S., Kalogiannis K.G., Iliopoulou E.F., Lappas A.A., Comparative Study on Catalytic and Non-Catalytic Pyrolysis of Olive Mill Solid Wastes, Waste and Biomass Valorization, 9: 301-313 (2018).
[47] Uzun B.B., Pütün A.E., Pütün E., Composition of Products Obtained Via Fast Pyrolysis of Olive-Oil Residue: Effect of Pyrolysis Temperature, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 79: 147-153 (2007).
[49] تولید ۱۱۰ هزار تن دانه زیتون در سال ۱۴۰۰، خبرگزاری جمهوری اسلامی ایران (1402).
[50] Kułażyński M., Jabłoński S., Kaczmarczyk J., Świątek Ł., Pstrowska K., Łukaszewicz M., Technological Aspects of Sunflower Biomass and Brown Coal Co-Firing, Journal of the Energy Institute, 91: 668-675 (2018).
[51] Gharaibeh S., Jaradat A.Q., Obtaining a New Source of Biofuel from Olive Mill Wastewater using Solar Energy, Energy, Ecology and Environment, 2: 29-34 (2017).
[52] Kabi T., Hildebrandt D., Liu X., Yao Y., Adsorption of Dibenzothiophene in Model Diesel Fuel by Amarula Waste Biomass as a Low-Cost Adsorbent, Journal of Environmental Management, 309:114598 (2022).
[53] Zhandnezhad A., Saidi M., Taheri Najafabadi A., Thermal and Catalytic Pyrolysis Process of Neem Seed to Produce Valuable Fuels Over RFCC Catalyst: Process Development and Evaluation, ChemistrySelect, 7: 202104480 (2022).
[54] Gao F., Tang X., Yi H., Zhang B., Zhao S., Wang J., Gu T., Wang Y.,  NiO-Modified Coconut Shell Based Activated Carbon Pretreated with KOH for the High-Efficiency Adsorption of NO at Ambient Temperature, Industrial & Engineering Chemistry Research, 57: 16593-16603 (2018).
[55] Thangadurai T., Tye C.T., Performance of Activated Carbon Supported Cobalt Oxides and Iron Oxide Catalysts in Catalytic Cracking of Waste Cooking Oil, Periodica Polytechnica Chemical Engineering, 65: 350-360 (2021).
[57] Singh Chouhan A. P., Sarma A. K., Critical Analysis of Process Parameters for Bio-Oil Production Via Pyrolysis of Biomass: A Review, Recent Patents on Engineering, 7: 98-114 (2013).
[58] Ghaemi A., Mashhadimoslem H., Zohourian Izadpanah P., NiO and MgO/Activated Carbon as an Efficient CO2 Adsorbent: Characterization, Modeling, and Optimization, International Journal of Environmental Science and Technology, 19: 727-746 (2022).
[59] Zhang S., Wang J., Zhu S., Liu X., Xiong Y., Zhang H., Effects of MgCl2 and Mg (NO3) 2 Loading on Catalytic Pyrolysis of Sawdust for Bio-Oil and MgO-Impregnated Biochar Production, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 152: 104962 (2020).
[61] Thommes M., Kaneko K., Neimark A.V., Olivier J.P., Rodriguez-Reinoso F., Rouquerol J., Sing K.S., Physisorption of Gases, with Special Reference to the Evaluation of Surface Area and Pore Size Distribution (IUPAC Technical Report), Pure and applied chemistry, 87: 1051-1069 (2015).
[62] Leofanti G., Padovan M., Tozzola G., Venturelli B., Surface Area and Pore Texture of Catalysts, Catalysis today, 41: 207-219 (1998).
[63] Ramli N.A.S., Amin N.A.S., Fe/HY Zeolite as an Effective Catalyst for Levulinic Acid Production from Glucose: Characterization and Catalytic Performance, Applied Catalysis B: Environmental, 163: 487-498 (2015).
[64] Iftikhar H., Zeeshan M., Iqbal S., Muneer B., Razzaq M., Co-pyrolysis of Sugarcane Bagasse and Polystyrene with Ex-Situ Catalytic Bed of Metal Oxides/HZSM-5 with Focus on Liquid Yield, Bioresource technology, 289: 121647 (2019).
[65] Tang W., Cao J.P., Yang F.L., Feng X.B., Ren J., Wang J.X., Zhao X.Y., Zhao M., Cui X., Wei X.-Y., Highly Active and Stable HF Acid Modified HZSM-5 Supported Ni Catalysts for Steam Reforming of Toluene and Biomass Pyrolysis Tar, Energy Conversion and Management, 212:  112799 (2020).
[66] Zakaria Z.Y., Linnekoski J., Amin N.S., Catalyst Screening for Conversion of Glycerol to Light Olefins, Chemical engineering journal, 207: 803-813 (2012).
[68] Hu W., Wang H., Lin H., Zheng Y., Ng S., Shi M., Zhao Y., Xu R., Catalytic Decomposition of Oleic Acid to Fuels and Chemicals: Roles of Catalyst Acidity and Basicity on Product Distribution and Reaction Pathways, Catalysts, 9: 1063 (2019).
[70] Kaewpengkrow P., Atong D., Sricharoenchaikul V., Selective Catalytic Fast Pyrolysis of Jatropha Curcas Residue with Metal Oxide Impregnated Activated Carbon for Upgrading Bio-Oil, International Journal of Hydrogen Energy, 42: 18397-18409 (2017).
[72] Jiraroj D., Jirarattanapochai O., Anutrasakda W., Samec J.S., Tungasmita D.N., Selective Decarboxylation of Biobased Fatty Acids using a Ni-FSM-16 Catalyst, Applied Catalysis B: Environmental, 291:120050 (2021).
[73] Gamal M.S., Asikin-Mijan N., Khalit W.N.A.W., Arumugam M., Izham S.M., Taufiq-Yap Y., Effective Catalytic Deoxygenation of Palm Fatty Acid Distillate for Green Diesel Production Under Hydrogen-free Atmosphere Over Bimetallic Catalyst CoMo Supported on Activated Carbon, Fuel Processing Technology, 208: 106519 (2020).
[74] Asikin-Mijan N., Lee H., Abdulkareem-Alsultan G., Afandi A., Taufiq-Yap Y., Production of Green Diesel Via Cleaner Catalytic Deoxygenation of JATROPHA CURCAS OIL, Journal of Cleaner Production, 167: 1048-1059 (2017).
[75] He S., Klein F.G.H., Kramer T.S., Chandel A., Tegudeer Z., Heeres A., Heeres H.J., Catalytic Conversion of Free Fatty Acids to Bio-Based Aromatics: A Model Investigation using Oleic Acid and an H-ZSM-5/Al2O3 Catalyst, ACS sustainable chemistry & engineering, 9: 1128-1141(2021).
[76] Mo N., Savage P.E., Hydrothermal Catalytic Cracking of Fatty Acids with HZSM-5, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2: 88-94 (2014).
[77] Zheng Y., Wang F., Yang X., Huang Y., Liu C., Zheng Z., Gu J., Study on Aromatics Production Via the Catalytic Pyrolysis Vapor Upgrading of Biomass using Metal-Loaded Modified H-ZSM-5, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 126: 169-179 (2017).
[78] LI X.-h., Lei C., FAN Y.-s., JIAO L.-h., Sha L., CAI Y.-x., Study on Preparation of Refined oil by Upgrading of Pyrolytic Vapors using Zn-P/HZSM-5 Zeolite, Journal of Fuel Chemistry and Technology, 43: 567-574 (2015).
[79] Ren X.-Y., Cao J.-P., Zhao X.-Y., Yang Z., Liu T.-L., Fan X., Zhao Y.-P., Wei X.-Y., Catalytic Upgrading of Pyrolysis Vapors from Lignite Over Mono/Bimetal-Loaded Mesoporous HZSM-5, Fuel, 218: 33-40 (2018).
[80] Adjaye J.D., Katikaneni S.P., Bakhshi N.N., Catalytic Conversion of a Biofuel to Hydrocarbons: Effect of Mixtures of HZSM-5 and Silica-Alumina Catalysts on Product Distribution, Fuel Processing Technology, 48: 115-143 (1996).