Microalgae Schizochytrium Limacinum pyrolysis in a tandem catalytic bed composed by hydrotalcite precursor and HZSM-5 zeolite in three different process configurations: analytical, solar and microwave

Abstract

A crescente preocupação com os problemas ambientais associados ao consumo de combustíveis fósseis traz novas oportunidades e desafios para o desenvolvimento de energias renováveis. A pirólise de materiais orgânicos tem sido estudada como um método rápido e flexível para fornecer altos rendimentos de produtos líquidos. A fração líquida denominada bio-óleo pode ser utilizada em diversas aplicações químicas e como eficiente carreador de energia, que é facilmente armazenado e transportado, auxiliando na mudança da matriz energética mundial. No entanto, a formação de compostos oxigenados e nitrogenados no bio-óleo de pirólise de microalgas interfere em seu uso como um competidor viável contra os combustíveis fósseis. Com o objetivo de reduzir essas substâncias indesejáveis e melhorar a produção de hidrocarbonetos aromáticos, a pirólise catalítica da microalga Schizochytrium limacinum em leito catalítico duplo foi investigada. Este estudo avaliou os efeitos da temperatura de reação e do leito catalítico duplo (NiHTC seguido de NiHZSM-5) na distribuição do produto e nas características do bio-óleo em três configurações distintas de pirólise: (1) analítica; (2) solar; e (3) de micro-ondas. Na pirólise analítica, o leito catalítico duplo consistindo de NiHTC seguido por NiHZSM-5 demonstrou capacidades superiores em desacidificação e desoxigenação. Com ambos os catalisadores calcinados e submetidos à redução/passivação, a produção de hidrocarbonetos atingiu níveis notáveis, que permaneceram entre 89 e 92%, respetivamente, quando a relação catalisador total/biomassa foi fixada em 5:1. Sob estas condições otimizadas, a formação de aromáticos permaneceu consistentemente na faixa de 60% a 70%. A pirólise solar atingiu aproximadamente 45% de rendimento de líquido (em relação a massa inicial de microalga) e alcançou cerca de 75% de geração de hidrocarbonetos, que é o produto de interesse. Os bio-óleos produzidos na pirólise solar apresentaram compostos altamente desejáveis como hidrocarbonetos de cadeia longa (alifáticos e aromáticos). A formação desses hidrocarbonetos foi mais favorecida na temperatura máxima de reação de 750°C, em NiHTC/(NiHTC+NiHZSM-5)] de 0,50 e sob uma proporção de catalisador total para biomassa de 4:1, condição que também levou a uma aromatização de aproximadamente 80% em relação aos hidrocarbonetos formados. Assim como a produção de hidrocarbonetos se beneficiou nessas condições, atingindo uma eficiência de recuperação de energia (ERS) de aproximadamente 65%. Esses dados representam cerca de 95% menos emissões em CO2 eq em relação ao consumo de derivados do petróleo, uma vez que a microalga e a energia solar utilizados no processo de pirólise são renováveis. No aspecto ambiental, esse fato pode ser uma ótima forma de mitigar as emissões de CO2 e adquirir créditos de carbono. Os resultados experimentais mostraram que a pirólise catalítica ex-situ assistida por micro-ondas foi capaz de produzir rendimentos de líquido satisfatórios, atingindo 57%. Os resultados mostraram que NiHTC/SiC favoreceu reações de desacidificação e desnitrificação que levaram a uma maior geração de compostos intermediários como cetonas e álcoois. Esses compostos foram então convertidos em hidrocarbonetos pelos sítios ácidos do catalisador NiHZSM-5/SiC. Os rendimentos máximos de hidrocarbonetos e benzeno alcançados foram de 93 e 78%, respectivamente e, em geral, a perda do rendimento do bio-óleo xiii pode ser compensada pela melhoria em sua qualidade. Adicionalmente, a regeneração e reciclagem do leito catalítico foram realizadas com sucesso, sendo que, após 7 ciclos, o leito não tive sua atividade em relação a formação de hidrocarbonetos afetada de forma significativa. Este estudo também forneceu dados essenciais de eficiência para pirólise de micro-ondas, sendo a recuperação de energia de 94%, eficiência total da pirólise de 25,5% e fator de upgrading de 1,36. Os resultados satisfatórios indicaram que a energia da biomassa foi armazenada com sucesso como combustível líquido.