Καταλυτική υδρογόνωση φουρφουράλης προς παραγωγή χημικών προιόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας
Creators: name: Καρράς, Αλέξανδρος-Ιωάννης Ηλία
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Καταλυτική υδρογόνωση
Φουρφουράλη
Βιομάζα
Catalytic hydrogenation
Furfural
Biomass

description: Λόγω της παγκόσμιας κρίσης όσον αφορά στην εξάντληση των ορυκτών πόρων και των συνεχώς αυξανόμενων περιβαλλοντολογικών προβλημάτων, η αξιοποίηση ανανεώσιμων πρώτων υλών, όπως η βιομάζα, για την παραγωγή χημικών υψηλής προστιθέμενης αξίας έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας και της βιομηχανίας. Η φουρφουράλη, η οποία μπορεί να παραχθεί μέσω αφυδάτωσης της ξυλόζης στα πλαίσια ενός ολοκληρωμένου βιοδιυλιστηρίου, αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη χημική ένωση (platform chemical) ως πρώτη ύλη για την παραγωγή πληθώρας μονομερών, πολυμερών, καυσίμων και άλλων χρήσιμων προϊόντων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται η διεργασία της καταλυτικής υδρογόνωσης της φουρφουράλης προς την παραγωγή προιόντων τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως διαλύτες, ως πρόσθετα καυσίμων και ως πρόδρομες ενώσεις για τη σύνθεση πολυμερών. Ειδικότερα, μελετήθηκαν τόσο ο τύπος του καταλύτη (μέταλλο και υπόστρωμα) όσο και οι πειραματικές συνθήκες της αντίδρασης υδρογόνωσης, όπως ο διαλύτης, η συγκέντρωση και η αναλογία φουρφουράλης προς καταλύτη, η θερμοκρασία και η πίεση, με στόχο τη βελτιστοποίηση της δραστικότητας της υδρογόνωσης και της εκλεκτικότητας προς τα επιθυμητά προϊόντα και τέλος, πραγματοποιήθηκε μελέτη της απομόνωσης της φουρφουράλης από υγρά ρεύματα υδροθερμικής κατεργασία βιομάζας και καταλυτική υδρογόνωση της. Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι σε έντονες συνθήκες υδρογόνωσης, υψηλή θερμοκρασία, πίεση υδρογόνου και λόγο καταλύτη/φουρφουράλη, επιτυγχάνεται υψηλός βαθμός μετατροπής της φουρφουράλης προς 2-μέθυλο φουράνιο. Αντίθετα, σε σχετικά ηπιότερες συνθήκες, το κύριο προϊόν είναι η φουρφουριλική αλκοόλη. Σημαντικό ρόλο στη σύσταση του τελικού προϊόντος έπαιξε η επιλογή του καταλύτη. Πιο συγκεκριμένα, το είδος του μετάλλου καθώς και το υπόστρωμα φαίνεται να καθορίζει τόσο το μηχανισμό της αντίδρασης όσο και τη σύσταση των προϊόντων. Σχετικά με την υδρογόνωση των φουρφουράλης που εκχυλίστηκε από τα υγρά κλάσματα της υδροθερμικής κατεργασίας λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας (κουκούτσια βερίκοκου και κουκουνάρια καλαμποκιού), παρατηρήθηκαν χαμηλοί βαθμοί μετατροπής καθώς και χαμηλές αποδόσεις των επιθυμητών προϊόντων.
description: Due to the global crisis on the depletion of mineral resources and the continuously increasing environmental problems, the utilization of renewable raw materials, such as biomass, to produce high-value-added chemicals has attracted the interest of the scientific community and industry. Furfural, which can be produced through the dehydration of xylose within f an integrated biorefinery, is a highly promising platform chemical as a raw material towards the production of monomers, polymers, fuels, and other useful products. This thesis focused on the catalytic hydrogenation of furfural to produce chemicals that can be utilized as solvents, fuel additives, and polymers precursor. More specifically, the main parameters affecting the process were examined, such as the type of catalyst (metal and support), the solvent, furfural to catalyst ratio, temperature and pressure. Furthermore, within this study the extraction of furfural from liquid fraction of hydrothermal pretreatment of lignocellulosic biomass was also examined, as well as the downstream catalytic hydrogenation. According to the results of the present study, under intense hydrogenation conditions, high temperature, hydrogen pressure and catalyst/furfural ratio, high conversion of furfural towards 2-methyl furan was achieved while under relatively milder conditions, the major product was the furfuryl alcohol. Catalyst properties exhibit an important role in the composition of the final product. More specifically, both the metal and the support can determine both the reaction mechanism and the composition of the final products. Regarding the hydrogenation of furfural extracted from the liquid fractions of the hydrothermal pretreatment of lignocellulosic biomass (apricot kernel shells and corn cobs), low conversions and yields of the furanic compound were observed and more research should be performed to enhance the process.