Synthesis of nickel-based catalysts and their application in pyrolysis oil upgrading in a batch reactor

Abstract

"The thermochemical decomposition of beech wood biomass results in a poor quality bio-oil, which cannot be directly used in diesel engines. In order to make this oil resemble liquid fossil fuels, an upgrading technique should be applied. Among the available possibilities, hydrodeoxygenation (the removal of oxygen and saturation of double bonds through high pressure hydrogen) appears to be the most auspicious route to produce biofuels. Besides, this method requires a catalyst to increase the activity, which could be reused in further upgrading reactions so as to minimize the generation of waste material. In this work, four nickel-based catalysts were evaluated for the hydrodeoxygenation of beech wood bio-oil. After being synthesized, their superficial and compositional characteristics were assessed. Once the upgrading reaction was performed for the pyrolysis oil, the resulting products (upgraded bio-oil, aqueous phase and gas fraction) were separately analyzed. Considering the obtained results, the catalyst with the best upgrading performance was selected in order to regenerate and use it in further hydrodeoxygenation reactions. The catalyst selection was based on upgraded bio-oil, catalyst and reaction factors. Parameters such as carbon, oxygen and water content, HHV, pH value, poisoning and overall hydrogen consumption were taken into account. With the obtained results, Ni/SiO2 was chosen and therefore regenerated, which included the calcination and reduction of the spent catalyst before it was reused in a new hydrodeoxygenation reaction. Its performance was tested along three consecutive reactions and the quality of upgraded bio-oils corresponding to these cycles were evaluated. It could be concluded that Ni/SiO2 showed an improvement in the upgraded bio-oil quality next to a satisfactory performance after the three regeneration cycles, which points out that this particular catalyst can be regenerated and reused for a minimum of three times without significantly affecting the resulting upgraded bio-oil quality. Further characterization techniques should be performed in order to achieve a bigger understanding of the functioning of nickel-based catalysts and their reutilization in a larger number of consecutive upgrading reactions."

"La descomposición termoquímica de la biomasa maderera de especies pertenecientes al género Fagus resulta en un bio-aceite de baja calidad que no puede ser usado directamente en motores diesel. Con el objetivo de que se asemeje a los combustibles fósiles, una técnica de mejoramiento debería ser aplicada. Entre las opciones disponibles, la hidrodeoxigenación (es decir, la remoción de oxígeno y saturación de dobles enlaces mediante hidrógeno a alta presión) parece ser el camino indicado para producir este tipo de biocombustibles. Además, este método requiere un catalizador para incrementar su actividad, que podría ser reutilizado en futuras reacciones de mejoramiento para minimizar así la generación de residuos. En este trabajo, cuatro catalizadores a base de níquel fueron evaluados para la hidrodeoxigenación del bio-aceite de la madera de Fagus. Luego de la síntesis, se evaluaron las características superficiales y composicionales de los catalizadores. Después de realizar la reacción de mejoramiento para el bio-aceite, los productos resultantes (bio-aceite mejorado, fase acuosa y la fracción gaseosa) fueron analizados por separado. Considerando los resultados obtenidos, el catalizador con el mejor desempeño fue seleccionado con el objetivo de ser regenerado y reutilizado en futuras reacciones. La selección del catalizador se basó principalmente en factores relacionados con el bio-aceite mejorado, el catalizador y la reacción. Se tuvieron en cuenta parámetros como el contenido de carbono, oxígeno y agua, valor calorífico, pH, contaminación del catalizador y consumo de hidrógeno por parte de la reacción. Con los resultados disponibles, se seleccionó y regeneró a Ni/SiO2, lo que incluyó la calcinación y reducción del catalizador "gastado", con anterioridad a su reutilización en una nueva reacción de hidrodeoxigenación. Su desempeño y la calidad de los bio-aceites resultantes fueron evaluados a lo largo de tres reacciones consecutivas. Se pudo concluir que Ni/SiO2 demostró un mejoramiento en la calidad del bio-aceite, además de un desempeño satisfactorio luego de las tres regeneraciones, lo que indica que este catalizador puede ser regenerado y reutilizado por un mínimo de tres veces sin ver afectada su actividad y la calidad del producto deseado. Nuevas técnicas de caracterización deberían ser utilizadas para poder lograr una mayor comprensión del funcionamiento de los catalizadores a base de níquel y su reutilización en un mayor número de reacciones de mejoramiento."