Synthetische mesoporöse Zeolithe mit besserer Katalyseleistung für Biomasse
Die katalytische Pyrolyse ist ein Verfahren zur Umwandlung von Biomasse wie Holz oder landwirtschaftlichem Abfall in eine Flüssigkeit, die in bestehender Raffinerieinfrastruktur weiterverarbeitet werden kann, um Kraftstoffe für den Verkehr sowie andere nützliche chemische Erzeugnisse herzustellen. Das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen geförderte, EU-finanzierte Projekt ECOCAT hat das Verfahren verbessert, indem es einen synthetischen Katalysator in einer spezifisch für diesen Zweck gestalteten Versuchseinheit entwickelt und erprobt hat.
Der aktivere, selektivere und ertragreichere Katalysator
Die katalytische Pyrolyse von Biomasse funktioniert, indem die Biomasse in einer sogenannten inerten Atmosphäre, in der keine reaktiven Gase vorhanden sind, schnell auf etwa 500 °C erhitzt wird. Während die Biomasse sich zersetzt, werden sauerstoffhaltige Verbindungen als Dämpfe freigesetzt. Diese Dämpfe kommen dann mit einem festen Katalysator in Kontakt, wobei darauf Reaktionen ausgelöst werden, die den Sauerstoff aus den sauerstoffhaltigen Verbindungen entfernen. Die Dämpfe werden dann schnell abgekühlt und kondensiert, um die gewünschten Chemikalien zu erhalten. „Der Katalysator spielt eine entscheidende Rolle, da er den Sauerstoff aus den sauerstoffhaltigen Verbindungen entfernt, sodass man ein Produkt erhält, das stabil genug ist, um in erneuerbare Kraftstoffe für den Verkehr oder andere nützliche chemische Erzeugnisse weiterverarbeitet zu werden. Diese können dann in vielen Anwendungsbereichen Verbindungen auf Erdölbasis ersetzen, wie zum Beispiel in Kraftstoffadditiven, Lösungsmitteln, Kunststoffen und Arzneimitteln“, erklärt Stelios Stefanidis, der Projektkoordinator. Als kristalline Feststoffe kommen hierbei am häufigsten mikroporöse Zeolithe als Katalysator zum Einsatz. Während ihre Mikroporen zwar die Bildung ungewollter Nebenerzeugnisse unterbinden, maximieren sie jedoch nicht den Sauerstoffentzug aus den sauerstoffhaltigen Dämpfen. Einige der größeren sauerstoffhaltigen Moleküle können nicht an die Säuren innerhalb der Mikroporen gelangen, die für die Desoxygenierung notwendig sind, und reagieren daher nur mit jenen auf der äußeren Oberfläche. ECOCAT synthetisierte und erprobte Zeolithkatalysatoren, die modifiziert wurden, sodass sie größere Poren haben – sogenannte Mesoporen. Diese können mit größeren sauerstoffhaltigen Moleküle umgehen, indem sie in kleinere Elemente „heruntergebrochen“ werden, die dann in die Mikroporen gelangen können. Das Team experimentierte mit verschiedenen Behandlungsbedingungen für die zugrunde liegenden mikroporösen Zeolithe sowie mit verschiedenen Maßen an Porosität und unterschiedlichen Porengrößen. Mehrere der erprobten synthetisierten mesoporösen Zeolithe wiesen eine konstant höhere Desoxygenierungsaktivität auf als die mikroporösen Zeolithe, aus denen sie synthetisiert wurden. Sie lieferten auch konstant höhere Erträge wertvoller Verbindungen. Die Ergebnisse der Katalysatoren in Pulverform konnten unter Verwendung eines Tonbinders auch mit größeren Partikeln nachgestellt werden, die besser für die Betriebsbedingungen der größeren Reaktoren geeignet sind, die normalerweise in der Verarbeitung im industriellen Maßstab zum Einsatz kommen.
Unabhängigkeit von Produkten auf Erdölbasis
Dank der Verwendung lokaler erneuerbarer Ressourcen und Abfallprodukte zur Herstellung von Biokraftstoffen und chemischen Erzeugnissen könnte die katalytische Pyrolyse Produkte auf Erdölbasis ersetzen. Dies würde zu neuen verfügbaren Energiequellen führen, die Treibhausgasemissionen senken und örtliche Branchen wie die Forst- und Landwirtschaft stärken. „Unternehmen auf der ganzen Welt, wie AnelloTech und BioBTX, suchen bereits nach Möglichkeiten, die katalytische Pyrolyse zu kommerzialisieren. Ein aktiverer und selektiverer Katalysator könnte die Betriebskosten der katalytischen Pyrolyse von Biomasse senken, sodass sie wettbewerbsfähiger und somit kommerziell attraktiver wird und den Schub erhält, den sie braucht“, so Stefanidis. Um auf seinen Arbeiten aufbauen zu können, versucht das Team von ECOCAT zurzeit, sich weitere Finanzmittel zu sichern, um seine mesoporösen Katalysatoren in größeren Versuchseinheiten zu erproben, die repräsentativere Ergebnisse für den industriellen Maßstab liefern.
Schlüsselbegriffe
ECOCAT, Biomasse, Katalysator, Biokraftstoff, Zeolithe, katalytische Pyrolyse, Additive, Lösungsmittel, Kunststoffe, Arzneimittel, Brennstoff, Kraftstoff