Cellulose Liquefaction : Optimization of Reaction Parameters

Tese de mestrado, Química Tecnológica, 2021, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasNeste trabalho estudou-se a optimização dos parâmetros reacionais da liquefação direta de biomassa lignocelulósica. O solvente usado foi 2-etilhexanol com um liquor ratio de 5:1 (solvente:biomassa), juntamente com o catalisador ácido p-toluenossulfónico (PTSA). Com o objectivo de obter a defnir um modelo experimental, foram efectuadas 17 reacções variando parâmetros como a temperatura, o tempo de reacção e a quantidade de catalisador. As condições ideais foram obtidas a 170 ºC, com 3 horas de reacção e 3% (m/m) de catalisador, resultando num rendimento de 84.8%. Os bio-óleos produzidos foram caracterizados por espectroscopia de infravermelhos e análise elementar tendo-se também determinado a densidade e as viscosidades cinemática e dinâmica. A avaliação dos resultados permitiu confirmar que a temperatura se trata do parâmetro reacional mais influente tendo-se concluído que abaixo dos 170 ºC não se verifica a formação de um grupo carbonilo no espectro FTIR do bio-óleo. O aumento de reacções secundárias com o aumento do tempo de reação também é verificado pela espectroscopia de infravermelhos. As propriedades químicas dos bio-óleos, como a densidade e ambos os tipos de viscosidade, aumentam com a conversão da celulose. A análise elementar permitiu estimar o HHV dos bio-óleos e dos resíduos sólidos tendo sido 30.16 MJ Kg-1 o maior valor obtido, um valor ainda distante dos derivados de combustíveis fósseis. No entanto, o HHV dos resíduos sólidos revelou-se superior ao da celulose pura potenciando a hipótese de aplicar o processo de liquefação ao resíduo sólido de liquefações posteriores.The present work studied the optimization of the reaction parameters in lignocellulosic biomass liquefaction. The solvent used was 2-ethylhexanol with a 5:1 liquor ratio (solvent:biomass) and the used catalyst was p-toluenosulfonic acid (PTSA). To understand the best reaction media for the biomass conversion, 17 reactions were performed varying the reaction temperature, reaction time and catalyst amount. The optimum conditions were 170 ºC, 3 hours and 3 wt%(m/m) of catalyst which produced the highest reported yield – 84.8%. The produced bio-oils were characterized by infrared spectroscopy and elementar analysis with the densities and viscosities, both kinematic and dynamic, also determined. The evaluation of the results confirmed that temperature is the most influential reactional parameter with the FTIR results showing that under 170 ºC no carbonyl groups are formed. The infrared spectroscopy also confirms the increase of secondary reactions with the longer reaction times. Density and viscosity values increased with the conversion of cellulose. The elementar analysis allowed to estimate the high heating value of the bio-oils and solid residues with the highest bio-oil HHV achieved being 30.16 MJ Kg-1 , a distant value from the ones derived from fossil fuels. Although, the solid-residues HHV were superior to pure cellulose’s HHV potentiating the hypothesis of reusing the solid residues for further liquefactions