Hydrodeoxygenation of Lignin-Derived Model Compound for Sustainable Aviation Fuel Production Using Bifunctional Catalysts

Abstract

The development for sustainable and renewable fuels is driven by the current reliance on fossil fuels and a need to reduce contaminant gas emissions and adhere to climate-related regulations. The main challenge for the aviation industry in particular is the transition towards cleaner energy sources. A promising solution is manufacturing hydrocarbons from renewable sources, minimizing the environmental impact and high costs required for alternative green technologies. Lignin is considered as a promising source of materials and biofuels, as it can be transformed through various thermochemical processes to valuable products. To obtain liquid hydrocarbons, lignin needs to undergo pyrolysis, resulting in bio-oil, which requires additional upgrading due to its low heating value, high viscosity, and acidity. Hydrodeoxygenation can be used to remove the oxygen groups, obtaining hydrocarbons compatible with the existing infrastructure. In this study, hydrodeoxygenation of isoeugenol, a lignin-derived model compound, was investigated using various bifunctional catalysts in both batch and continuous reactors. A series of bimetallic platinum-rhenium catalysts supported on mesoporous and activated carbon were studied, with the purpose of revealing the role of both metals for hydrogenation and deoxygenation. The results indicated that a higher rhenium loading resulted in improved activity, providing the oxygen vacancies required for deoxygenation. Further research performed in a continuous reactor allowed high conversion (100%) and deoxygenation level (90%) at 200 ºC. For the first time studies simulating industrial catalysts and eventual scaling-up were performed for a lignin-derived model compound in batch and continuous reactors using powders and extrudates, respectively, comprising platinum as the active metal, zeolite beta and a binder. The effects of the binder addition, platinum location, and zeolite acidity were evaluated for the powder catalyst, while the effect of platinum location and reaction temperature was evaluated for the extrudates. The addition of binder resulted in a decrease of surface area, total pore volume, and acidity, additionally, the catalysts containing the more acidic zeolite (H-Beta-25) exhibited better catalytic performance (ca. 80% conversion and over 50% yield of the deoxygenated product) compared to the H-Beta-300. The proximity of platinum to acid sites enhanced considerably catalytic activity, resulting in ca. 20% higher conversion when platinum was deposited on the zeolite rather than only on the binder. The extrudates displayed good stability, with a 10% decrease in catalytic activity after 30 hours of time on stream. Additionally, an effectiveness factor of 0.17 and an apparent activation energy of 14.7 kJ/mol revealed the presence of mass transfer limitations. A high conversion (100%) and a significant yield of deoxygenated products (80%), were obtained at 200 ºC.

Utvecklingen av hållbara och förnybara bränslen drivs av det nuvarande beroendet av fossila bränslen och av ett behov att minska utsläppen av förorenande gaser och följa klimatrelaterade bestämmelser. Den största utmaningen i synnerhet för flygindustrin är övergången till renare energikällor. En hoppingivande lösning är att tillverka kolväten från förnybara källor, vilket minimerar miljöpåverkan och de höga kostnaderna för alternativ grön teknik. Lignin anses vara en lovande källa till material och biobränslen, eftersom det kan omvandlas till värdefulla produkter genom olika termokemiska processer. För att få flytande kolväten måste lignin genomgå pyrolys, vilket resulterar i bioolja, som i sin tur kräver ytterligare uppgradering på grund av dess låga värmevärde, höga viskositet och surhet. Hydrodeoxygenering kan användas för att avlägsna syregrupperna och erhålla kolväten som är kompatibla med den befintliga infrastrukturen. I detta arbete undersöktes hydrodeoxygenering av isoeugenol, en ligninbaserad modellförening, med olika bifunktionella katalysatorer i både satsreaktorer och kontinuerliga reaktorer. En serie bimetalliska platina-rhenium-katalysatorer på mesoporöst och aktivt kol studerades, i syfte att undersöka de båda metallernas roll i hydrogenering och i deoxygenering. Det visade sig att en högre rheniumhalt, med större antal syresäten, resulterade i förbättrad deoxygeneringsaktivitet. Det var möjligt att uppnå full omsättningsgrad av isoeugenol med 90% deoxygenering i en kontinuerlig reaktor vid 200 °C. För första gången utfördes studier med industriellt efterliknande katalysatorer, både i pulverform och i extrudatform med platina som den aktiva metallen, zeolitbeta som bärarmaterial samt ett bindemedel. Studierna innehöll dessutom eventuell uppskalning för en ligninbaserad modellförening i satsreaktorer och kontinuerliga reaktorer. Effekterna av bindemedelstillsatsen, platinaplaceringen och zeolitens surhet utvärderades för pulverkatalysatorn, medan effekterna av platinaplaceringen och reaktionstemperaturen studerades för extrudaten. Tillsatsen av bindemedel resulterade i en förminskad ytarea, total porvolym och surhet. Det visade sig att katalysatorerna som innehöll den mer sura zeoliten (H-Beta-25) hade bättre katalytisk prestanda (ca 80% omsättningsgrad och över 50% utbyte av den deoxygenerade produkten) jämfört med andra zeoliter. Placeringen av platina påverkade de katalytiska resultaten. Det påvisades att platina beläget nära surasäten förbättrade aktiviteten med ca 20% jämfört med platina deponerat på bindemedlet. Extrudaten visade god stabilitet, med bara 10% minskning av katalytisk aktivitet efter 30 timmars drift. Massöverföringsbegränsningar påvisades av en effektivitetsfaktor på 0,17 och en aktiveringsenergi på 14,7 kJ/mol. En hög omsättningsgrad (100%) och ett betydande utbyte av deoxygenerade produkter (80%) erhölls vid 200 ºC med de industriellt efterliknande katalysatorerna.