Modelling electrochemical lignin depolymerization into value-added products

Bawareth, Bander Abubaker; Palkovits, Regina; Wessling, Matthias

doi:HT019989906

Modelling electrochemical lignin depolymerization into value-added products = Modellierung der elektrochemischen Lignin-Depolymerisation in Mehrwertprodukte

Bawareth, Bander Abubaker^RWTH*

2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Bander Abubaker Bawareth

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (ix, 109 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wessling, Matthias (Thesis advisor)^RWTH* ; Palkovits, Regina (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-02-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-02046
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/755846/files/755846.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
aromatic products (frei) ; chain-end scission (frei) ; kinetic modelling (frei) ; organic acid (frei) ; over-oxidation (frei) ; polymer degradation (frei) ; random scission (frei) ; sensitivity analysis (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Lignocellulosematerial ist eine wichtige alternative Quelle, um den steigenden Energiebedarf zu decken. Das mögliche Ziel, neue Bioraffinerien in Betrieb zu nehmen, wurde durch den geringen wirtschaftlichen Wert dieser Anlagen eingeschränkt. Daher müssen mehrere hochwertige Produkte hergestellt werden, um den Umsatz der Bioraffinerie zu steigern. Bei den aromatischen Rohstoffen hat Lignin den höchsten Aromatengehalt in der Natur. Die Lignin-Valorisierung durch elektrochemische Depolymerisation ist aufgrund der moderaten Reaktionsbedingungen ein vielversprechender Ansatz für die kommerzielle Anwendung. Die Elektrooxidation ist jedoch eine nicht-selektive Reaktion und führt zu einer Überoxidation der Produkte. Ein Membranreaktor kann die gewünschten Produkte der Lignin-Depolymerisation entfernen. Dadurch kann ein weiterer Abbau der Produkte vermieden werden. Der Umfang dieser Arbeit ist die Entwicklung einer konzeptionellen Studie über einen elektrochemischen Membranreaktor. Die Studie besteht aus der Modellierung der Reaktionskinetik und der Membranprozessmodellierung. Herkömmliche Reaktionskinetikgleichungen sind für den Ligninabbau wegen der begrenzten Kinetikinformationen bezüglich des Reaktionsmechanismus und des breiten Produktspektrums unzureichend. Wir schlugen vor, population balance zu verwenden, um die Entwicklung der Molekulargewichtsverteilung von Lignin mit der Zeit vorherzusagen, basierend auf den Mechanismen der Kettenspaltung; Zufalls- und Kettenendspaltung. Die Lösung der niedermolekularen Bevölkerungsbilanzgleichungen wurde diskret durchgeführt, während für das hohe MW eine kontinuierliche Lösung implementiert wurde. Zusätzlich führte das Modell zu einer Rekombinationsreaktion der depolymerisierten Spezies. Das Modell ist in der Lage, die Molekulargewichtsverteilung im Verlauf der Depolymerisation von Lignin vorherzusagen. Experimentelle Ergebnisse wurden verwendet, um Kinetikkonstanten für verschiedene Kraft-Lignin-Proben zu extrahieren. Verschiedene Prozessparameter wurden in einem elektrochemischen Membranreaktorprozess mittels Sensitivitätsanalyse untersucht. Ziel der Analyse war es, die Prozessparameter zu manipulieren, um die Ausbeute der Aromatenproduktion zu maximieren. Diese Parameter berücksichtigen im Allgemeinen die Eigenschaften der Membran in Bezug auf den Porendurchmesser und die Membranfläche sowie die Prozessparameter in Bezug auf die Druckdifferenz zwischen den Membranen und die Reaktionsverweilzeit. Die Sensitivitätsstudie ergab, dass eine Membran mit einer Molekulargewichtsgrenze (MWCO) von 750 Da und einem Porendurchmesser von 1 nm eine optimale Nanofiltrationsmembran für einen kontinuierlichen Membranreaktor ist. Die Ausbeute an aromatischen Produkten konnte von 0,01\% im Chargenreaktor auf 11\% im Membranreaktor gesteigert werden. Die verdünnte Ligninkonzentration erwies sich im Hinblick auf die Produktrückgewinnung aus dem Permeat als Nachteil. Das Modell entwirrt die Depolymerisation von Lignin in einer Makroperspektive. Die Kombination der Ergebnisse dieser Studie mit einem integrierbaren Prozess kann dazu beitragen, das Bioraffineriekonzept der kommerziellen Umsetzung näher zu bringen.

Lignocellulosic material is a very important alternative source to fulfill the increment in the global energy demand. The potential aim to start up new biorefineries has been restricted by the low economical value of these plants. Therefore, several high value products must be produced to increase the revenue of the biorefinery. For aromatic feedstock, lignin has the highest abundance of aromatic content in nature. Lignin valorisation via electrochemical depolymerization is a promising approach for commercial application due to its moderate reaction conditions. However, the electro-oxidation is a non-selective reaction and causes over-oxidation of the products. A membrane reactor can selectively remove the desired products of lignin depolymerization. As a result, further degradation of the products can be avoided. The scope of this thesis is to develop a conceptual study of an electrochemical membrane reactor process. The study consists of reaction kinetics modelling and membrane process modelling. Conventional reaction kinetics equations are inadequate when used for lignin degradation because of the limited kinetics information with respect to the reaction mechanism and wide product spectrum. We suggested to use population balance equations to predict the evolution of molecular weight distribution of lignin with time, based on the chain scission mechanisms (random and chain-end scissions). Solving the low molecular weight (MW) population balance equations was carried out discretely whereas a continuous solution was implemented for the high MW. Additionally, the model accounted for a recombination reaction for the depolymerized species. The model is capable of predicting the molecular weight distribution of lignin as a function of electrochemical processing time. Experimental results were used to extract kinetics constants for different Kraft lignin samples. Different process parameters were examined, in an electrochemical membrane reactor process, via sensitivity analysis. Through the analysis, the objective was to manipulate the process parameters in order to maximize the aromatics production yield. These parameters are considering, in general, the membrane characteristics, in terms of membrane pore diameter and area, and process parameters, in terms of trans-membrane pressure and reaction residence time. The sensitivity study revealed that a membrane with a molecular weight cut-off (MWCO) of 750 Da and pore diameter of 1 nm is an optimum nano-filtration membrane for a continuous membrane reactor. The aromatic product yield could be increased from 0.01\%, in the batch reactor, to 11\%, in the membrane reactor. Diluted lignin concentration was found to be a process drawback with regard to the product recovery from the permeate. The presented model unravelled the electrochemical depolymerization of lignin in a macro perspective. Combining the findings of this study with an efficient and integrable process design, can contribute to bring the biorefinery concept closer to commercial realization.

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