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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/35941
ORCID: | http://orcid.org/0000-0002-3884-0166 |
Document type: | Tese |
Access type: | Acesso Aberto |
Title: | Efeito catalítico da zeólita HZSM-5 e do ácido nióbico HY-340 para a pirólise rápida de lignina Kraft torrificada |
Alternate title (s): | Catalytic effect of zeolite HZSM-5 and niobic acid HY-340 for the fast pyrolysis of torrefied Kraft lignin |
Author: | Menezes, Anderson Lima de |
First Advisor: | Vieira, Luiz Gustavo Martins |
Second Counselor: | Ataíde, Carlos Henrique |
First coorientator: | Cardoso, Cássia Regina |
First member of the Committee: | Duarte, Claudio Roberto |
Second member of the Committee: | Trugilho, Paulo Fernando |
Third member of the Committee: | Oliveira, Tiago José Pires de |
Fourth member of the Committee: | Wisniewski Junior, Alberto |
Summary: | A lignina Kraft é um resíduo industrial da produção de papel e celulose que pode ser aproveitada como matéria-prima para obtenção de compostos químicos de elevado interesse industrial através da conversão termoquímica, como a pirólise catalítica. A fim de melhorar as características da lignina no processo de pirólise, utilizou-se à torrefação como pré-tratamento térmico da lignina. O presente estudo teve como objetivo avaliar a influência dos catalisadores (HZSM-5 e HY-340) na desoxigenação dos constituintes na fase de vapor da pirólise catalítica da lignina Kraft in natura e torrificada (493, 533 e 573 K) para a produção de hidrocarbonetos aromáticos e determinar os parâmetros cinéticos e termodinâmicos do estágio de volatilização destas amostras. Realizou-se a caracterização física, química e térmica, além da tríplice cinética das ligninas in natura e torrificadas. Realizou-se a micropirólise (723, 823 e 923 K) da lignina in natura sem e com catalisadores (HZSM-5 e HY-340) em diferentes razões mássicas catalisador/biomassa (1:1, 5:1 e 10:1) para identificação dos compostos produzidos na pirólise. Foram realizados os planejamentos fatoriais 3k com as ligninas torrificadas para avaliar os efeitos das variáveis independentes (temperatura de pirólise e proporção catalisador/biomassa) na produção de hidrocarbonetos aromáticos. A lignina torrificada a 573 K foi utilizada na pirólise rápida (823 K) em reator de leito fluidizado e o bio-óleo produzido foi caracterizado. Os resultados da caracterização física, química e térmica das ligninas demonstram características desejáveis para o processo de pirólise, como por exemplo, elevado teor de materiais voláteis e alto poder calorífico. Os resultados das master plots mostraram que o modelo de segunda ordem de reação (N2) representam a cinética de decomposição da lignina in natura e torrificada (493 e 533 K), enquanto o modelo tridimensional de Ginstling–Brounshtein (D4) representou a cinética de decomposição da lignina torrificada a 573 K. Ainda de acordo com as master plots, a energia de ativação (Ea) e o fator pré-exponencial de Arrhenius (A) para a lignina in natura foram 106,05 kJ mol-1 e 3,64×106 s-1, respectivamente. Para a lignina torrificada a 493 K a Ea foi 130,91 kJ mol-1 e o A foi 3,10×108 s-1. Para a lignina torrificada a 533 K a Ea foi 137,20 kJ mol-1 e o A foi 4,10×108 s-1. Para a lignina torrificada a 573 K a Ea foi 176,81 kJ mol-1 e o A foi 4,64×109 s-1. Os ensaios de micropirólise mostraram que os vapores pirolíticos são formados por compostos oxigenados, principalmente fenóis, com o máximo de 74% fenóis a 923 K para lignina in natura. A pirólise catalítica proporcionou a desoxigenação dos vapores atingindo o valor máximo de 57,84% obtido na condição experimental de 10:1 a 923 K com HZSM-5, bem como 87,24% e 86,75% com o HY-340 na razão catalisador/biomassa de 10:1 a 823 e 923 K, respectivamente. Os resultados dos planejamentos fatoriais mostraram a influência das variáveis independentes na formação de hidrocarbonetos aromáticos. Observou-se nos planejamentos que a máxima proporção catalisador/biomassa proporcionou as maiores porcentagem de hidrocarbonetos aromáticos. As máximas porcentagens com HZSM-5 foram 41,95; 53,72 e 92,84% e com o HY-340 foram 29,29; 50,02 e 90,02% para as ligninas torrificadas a 493, 533 e 573 K, respectivamente. Por fim, a análise das propriedades do bio-óleo comprovou que, para sua utilização como combustível, é necessário realizar o upgrading devido à elevada acidez e à presença de compostos oxigenados. Conclui-se que a lignina apresenta potencial para a geração de compostos de interesse industrial e que a utilização dos catalisadores HZSM-5 e HY-340 proporcionou reações de desoxigenação e aumentou a seletividade para hidrocarbonetos aromáticos. |
Abstract: | Kraft lignin is an industrial waste of pulp and paper production that can be used as raw material to obtain chemical compounds of high industrial interest through thermochemical conversion, such as catalytic pyrolysis. In order to improve the characteristics of lignin in the pyrolysis process, torrefaction was used as thermal pretreatment of lignin. The present study aimed to evaluate the influence of catalysts (zeolite HZSM-5 and niobium acid HY-340) on the deoxygenation of constituents in the vapor phase of catalytic pyrolysis of industrial Kraft raw and torrified (493, 533 and 573 K) lignin to produce aromatic hydrocarbons and determine the kinetic and thermodynamic parameters of the volatilization stage of these samples. The physical, chemical and thermal characterization was carried out, as well as the triplet kinetics of the raw and torrified lignins. Analytical pyrolysis (723, 823 and 923 K) of raw lignin was performed without and with acid catalysts (HZSM-5 and HY-340) in different catalyst/biomass mass ratios (1:1, 5:1 and 10:1) to identify the pyrolysis products. A 3k factorial design was performed considering the torrified lignins to evaluate the effects of the independent variables (pyrolysis temperature and catalyst/biomass ratio) on the production of aromatic hydrocarbons. Torrified lignin at 573 K was used in fast pyrolysis (823 K) in fluidized bed reactor and produced bio-oil was characterized. The results of the physical, chemical and thermal characterization of lignins demonstrate compatible characteristics for the pyrolysis process, for example, high content of volatile materials and high calorific value. The results of the master plots showed that the second-order reaction model (N2) represents the decomposition kinetics of raw and torrified lignin (493 and 533 K), while the three-dimensional Ginstling–Brounshtein model (D4) represented the kinetics of decomposition the torrified lignin at 573 K. Still according to the master plots, the activation energy (Ea) and the Arrhenius pre-exponential factor (A) for the in-nature lignin were 106.05 kJ mol-1 and 3.64×106 s-1, respectively. For torrified lignin at 493 K the Ea was 130.91 kJ mol-1 and the A was 3.10×108 s-1. For torrified lignin at 533 K the Ea was 137.20 kJ mol-1 and the A was 4.10×108 s-1. For torrified lignin at 573 K the Ea was 176.81 kJ mol-1 and the A was 4.64×108 s-1. The analytical pyrolysis tests showed that the pyrolytic vapors are formed by oxygenated compounds, mainly phenols, with a maximum of 74% at 923 K for the raw lignin. Catalytic pyrolysis provided the deoxygenation of the vapors, reaching a maximum value of 57.84% obtained in the experimental condition of 10:1 at 923 K with HZSM-5, as well as 87.24% and 86.75% with HY-340 in the catalyst/biomass ratio of 10:1 at 823 and 923 K, respectively. The results of factorial designs showed the influence of independent variables on the formation of aromatic hydrocarbons. It was observed that the maximum catalyst/biomass ratio provided the highest percentage of aromatic hydrocarbons. The maximum percentages with HZSM-5 were 41.95, 53.72 and 92.84% and with HY-340 were 29.29, 50.02 and 90.02% for the torrified lignins to 493, 533 and 573 K, respectively. Finally, the bio-oil analysis proved that, for its use as fuel, it is necessary to perform upgrading due to the high acidity and the presence of oxygenated compounds. It was observed that the lignin is a potential source for compounds of industrial interest and that the use of HZSM-5 and HY-340 catalysts provided deoxygenation and increased the aromatic hydrocarbons selectivity. |
Keywords: | Lignina Lignin Catalisadores Catalysts Tríplice cinética Triple kinetics Torrefação Torrefaction Pirólise Pyrolysis |
Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA |
Subject: | Engenharia química Lignina Catalisadores Zeolitos Compostos de nióbio |
Language: | por |
Country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Química |
Quote: | MENEZES, Anderson Lima de. Efeito catalítico da zeólita HZSM-5 e do ácido nióbico HY-340 para a pirólise rápida de lignina Kraft torrificada. 2022. 285 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.471. |
Document identifier: | http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.471 |
URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/35941 |
Date of defense: | 16-Aug-2022 |
Appears in Collections: | TESE - Engenharia Química |
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