Valorization of biomass for fuel and chemicals production

Abstract

Rapidly increasing global energy demand resulting from the growing population and worldwide development increased consumption of limited fossil fuel usage that causes severe environmental deterioration by CO2 emission have sparked interest in finding green, renewable, and sustainable alternative sources for energy. Bio-oil, derived by several biomass via liquefaction, is a promising candidate to replace fossil fuels. Turkey is a country, 27% of which is covered with forests (mostly oak trees). Therefore, it has great potential for cheap lignocellulosic feedstock forest residues from industrial applications and harvesting. In the present study, the thermal liquefaction of oak wood particles (OWP) was performed using various solvents besides water, such as ethanol, 1-butanol, and 1,4-dioxane. The experiments were carried out in a batch reactor for 1 and 2 h residence time at different temperatures (210oC, 240oC, and 270oC). Bio-oil samples obtained at best reaction temperature, 270oC, optimum residence time, 1 h, were analyzed with TGA, CHNS elemental analyzer, FTIR, and GC-MS. Based on energy recovery calculations, the enhancement of pristine OWP's energy efficiency depends on bio-oil yield, and quality was confirmed for all solvent types. 1,4-dioxane showed the best performance in yielding the maximum bio-oil with 51.8%. The higher heating values of the bio-oils ranged from 22.1 to 35 MJ/kg. Phenolic groups were the predominant components of bio-oil produced from OWP, while intensity of alcohols, ketones, and acids varied based on using solvents.

Artan nüfus ve dünya çapındaki gelişme nedeniyle hızla artan küresel enerji talebi, CO2 emisyonu ile ciddi çevresel bozulmaya neden olan sınırlı fosil yakıt kullanımının artması, enerji için yeşil, yenilenebilir ve sürdürülebilir alternatif kaynaklar bulma konusundaki ilgiyi artırmıştır. Sıvılaştırma yoluyla çeşitli biyokütlelerden üretilebilen biyo-yağ, ileride fosil yakıtların yerini alabilecek umut vadeden bir adaydır. Türkiye, yüzde 27'si, çoğunluğunu meşe ağaçlarının oluşturduğu, ormanlarla kaplı bir ülkedir. Bu nedenle, endüstriyel uygulamalardan ve hasattan kaynaklanan ucuz bir lignoselülozik hammadde olan orman kalıntıları için büyük bir potansiyele sahiptir. Bu çalışmada, meşe ağacı parçacıklarının termal sıvılaştırılması, suyun yanı sıra etanol, 1-bütanol ve 1,4-dioksan gibi çeşitli çözücüler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Deneyler kesikli reaktörde farklı sıcaklıklarda (210oC, 240oC ve 270oC) 1 ve 2 saat bekletme süresinde yapılmıştır. En iyi sıcaklık olarak belirlenen 270oC'de ve optimum kalma süresi olan 1 saat sonucunda elde edilen biyo-yağ numuneleri TGA, CHNS element analizörü, FTIR ve GC-MS ile analiz edilmiştir. Enerji geri kazanımı hesaplamalarına göre, sıvılaştırma işlemine tabi tutulmamış meşe ağacı parçalarının enerji verimliliğinin arttırılması, biyo-yağ verimine ve kalitesine bağlı olarak tüm solvent türleriyle başarılmıştır. 1,4-dioksan %51,8 ile maksimum biyo-yağ veriminde en iyi performansı göstermiştir. Biyo-yağların üst ısıl değerleri 22,1 ila 35 MJ/kg arasında değişmektedir. Fenolik gruplar, elde edilen biyo-yağların baskın bileşenleri iken, alkollerin, ketonların ve asitlerin yoğunluğu, kullanılan solvent türüne bağlı olarak değişmiştir.