Thermochemical liquefaction of wheat straw in sub- and supercritical tetralin

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The present work investigates the thermochemical conversion of wheat straw biomass in a suband supercritical tetralin medium. The experiment was carried out in a batch reactor at 285, 330, 380, 420 and 460 °C for 10 minutes. The process of straw liquefaction in subcritical tetralin was characterised by relatively high efficiency. At 420 °C, the biomass conversion rate amounted to 98.2% a.d.m. The maximum yield of liquid products during liquefaction (81.6% a.d.m.) was obtained at 380 °C. The liquid products were fractionated by successive extraction with hexane, water and ethanol. According to GC-MS data, the liquefaction products soluble in hexane comprised a mixture of low-molecular weight degradation products of straw components and tetralin derivatives, including methyl esters of fatty acids, aromatic compounds, alkanes and minor alcohols and ketones. When the process temperature increased, the content of esters diminished, followed by an increment in the proportion of aromatic compounds up to 50% rel. No esters and phenolic compounds were present in the liquefaction products soluble in hexane obtained at 460 °C. Dehydrogenation, alkylation and isomerisation of tetralin with the formation of naphthalene, 1,4-dihydronaphthalene and alkyl derivatives of tetralin, naphthalene and indane occurred under the given conditions. The conducted comparative analysis of infrared spectra for straw and solid products of liquefaction suggested that, at temperatures of up to 330 °C, the process of polysaccharide fragmentation is more pronounced in the straw biomass, while, at higher temperatures, the process of lignin fragmentation prevails. As a result, the IR-spectrum of the solid product obtained at 380 °C revealed weakly pronounced absorption bands of alkylaromatic structural fragments. At the same time, only the absorption bands of mineral components in straw ash and adsorbed water were observed in the IR-spectrum of the solid product obtained at 420 °C.

About the authors

S. N. Evstaf‘ev

Irkutsk National Research Technical University

Email: esn@istu.edu

E. S. Fomina

Irkutsk National Research Technical University

Email: lenafomina1982@yandex.ru

N. P. Tiguntceva

Irkutsk National Research Technical University

Email: tignadezhda@yandex.ru

References

  1. Kajimoto O. Solvation in supercritical fluids: its effects on energy transfer and chemical reactions // Chemical Reviews. 1999. Vol. 99, no. 2. P. 355– 390. https://doi.org/10.1021/cr970031l.
  2. Sun Y., Cheng J. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review // Bioresource Technology. 2002. Vol. 83, no. 1. P. 1–11. https://doi.org/10.1016/s0960-8524(01)00212-7.
  3. Евстафьев С. Н., Чечикова Е. В. Превращения полисахаридов соломы пшеницы в динамических условиях процесса субкритического автогидролиза // Химия растительного сырья. 2015. N. 1. С. 41–49. https://doi.org/10.14258/jcp rm.201501426.
  4. Perkins G., Batalha N., Kumar A., Bhaskar T., Konarova M. Recent advances in liquefaction technologies for production of liquid hydrocarbon fuels from biomass and carbonaceous wastes // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2019. Vol. 115. P. 109400. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109400.
  5. de Caprariis B., De Filippis P., Petrullo A., Scarsella M. Hydrothermal liquefaction of biomass: influence of temperature and biomass composition on the bio-oil production // Fuel. 2017. Vol. 208. P. 618–625. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.07.054.
  6. Hewetson B. B., Zhang X., Mosier N. S. Enhanced acid-catalyzed biomass conversion to hydroxymethylfurfural following cellulose solvent-and organic solvent-based lignocellulosic fractionation pretreatment // Energy & Fuels. 2016. Vol. 30. P. 9975– 9977. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.6b01910.
  7. Ma P., Gao Y., Zhai H. Fractionated wheat straw lignin and its application as antioxidant // BioResources. 2013. Vol. 8, no. 4. P. 5581–5595. https://doi.org/10.15376/biores.8.4.5581-5595.
  8. Chesi C., de Castro I. B. D., Clough M. T., Ferrini P., Rinaldi R. The influence of hemicellulose sugars on product distribution of early-stage conversion of lignin oligomers catalysed by Raney nickel // ChemCatChem. 2016. Vol. 8, no. 12. P. 2079–2088. https://doi.org/10.1002/cctc.201600235.
  9. Schutyser W., Van den Bosch S., Renders T., De Boe T., Koelewijn S.-F., Dewaele A., et al. Influence of bio-based solvents on the catalytic reductive fractionation of birch wood // Green Chemistry. 2015. Vol. 17, no. 11. P. 5035–5045. https://doi.org/ 10.1039/c5gc01442e.
  10. Galkin M. V., Smit A. T., Subbotina E., Artemenkon K. A., Bergquist J., Huijgen W. J. J., et al. Hydrogen-free catalytic fractionation of woody biomass // ChemSusChem. 2016. Vol. 9, no. 23. P. 3280–3287. https://doi.org/10.1002/cssc.201600648.
  11. Parsell T., Yohe S., Degenstein J., Jarrell T., Klein I., Gencer E., et al. A synergistic biorefinery based on catalytic conversion of lignin prior to cellulose starting from lignocellulosic biomass // Green Chemistry. 2015. Vol. 17, no. 3. P. 1492–1499. https://doi.org/10.1039/C4GC01911C.
  12. Sannigrahi P., Ragauskas A. J. Characterization of fermentation residues from the production of bio-ethanol from lignocellulosic feedstocks // Journal of Biobased Materials and Bioenergy. 2011. Vol. 5, no. 4. P. 514–519. https://doi.org/10.11 66/jbmb.2011.1170.
  13. Kleinert M., Barth T. Towards a lignocellulosic biorefinery: direct one–step conversion of lignin to hydrogen–enriched bio–fuel // Energy & Fuels. 2008. Vol. 22, no. 2. P. 1371–1379. https://doi. org/10.1021/ef700631w.
  14. Wang Y., Wang H., Lin H., Zheng Y., Zhao J., Pelletier A., et al. Effects of solvents and catalysts in liquefaction of pinewood sawdust for the production of bio-oils // Biomass and Bioenergy. 2013. Vol. 59. P. 158– 167. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2013.10.022.
  15. Sangon S., Ratanavaraha S., Ngamprasertsith S., Prasassarakich P. Coal liquefaction using supercritical toluene–tetralin mixture in a semicontinuous reactor // Fuel Processing Technology. 2006. Vol. 87, no. 3. P. 201–207. https://doi. org/10.1016/J.FUPROC.2005.07.007.
  16. Koriakin A., Nguyen H. V., Kim D.-W., Lee C.-H. Thermochemical decomposition of microcrystalline cellulose using sub- and supercritical tetralin and decalin with Fe3O4 // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2015. Vol. 54, no. 18. P. 5184–5194. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5b00763.
  17. Kundu R., Ramsurn H. Kinetic study of noncatalytic dissolution of cellulose biochar in hydrogen donor solvent // ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2020. Vol. 8, no. 31. P. 11606–11617. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c02907.
  18. Koriakin A., Moon S., Kim D.-W., Lee C.-H. Liquefaction of oil palm empty fruit bunch using suband supercritical tetralin, n-dodecane, and their mixture // Fuel. 2017. Vol. 208. P. 184–192. https://doi. org/10.1016/j.fuel.2017.07.010.
  19. Kim D.-W., Lee C.-H. Efficient conversion of extra-heavy oil into distillates using tetralin/activated carbon in a continuous reactor at elevated temperatures // Journal of Analytical and Applied Pyrolisys. 2019. Vol. 140. P. 245–254. https://doi.org/10.1016/ J.JAAP.2019.04.001.
  20. Фомина Е. С., Евстафьев С. Н. Сравнительный анализ состава низкомолекулярных продуктов сверхкритической экстракции соломы пшеницы этанолом и диметилкарбонатом // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2018. Т. 8. N 2. С. 9–18. https://doi.org/10.21 285/2227-2925-2018-8-2-9-18.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».