Application of thermal analysis for studying thermal decomposition reactions possessing environmental interest  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
61504
Type K
Principal investigator Pekkerné Jakab, Emma
Title in Hungarian Környezetvédelmi szempontból aktuális hőbomlási folyamatok termoanalitikai vizsgálata
Title in English Application of thermal analysis for studying thermal decomposition reactions possessing environmental interest
Keywords in Hungarian Termoanalitika, pirolízis, hulladék, természetes és szintetikus polymerek
Keywords in English Thermal analysis, pyrolysis, waste, natural and synthetic polymers
Discipline
Analytical Chemistry (Council of Physical Sciences)100 %
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Institute of Materials and Environmental Chemistry (Research Center of Natural Sciences)
Participants Blazsó, Marianne
Mészáros, Erika
Starting date 2006-02-01
Closing date 2010-06-30
Funding (in million HUF) 6.000
FTE (full time equivalent) 1.48
state closed project
Summary in Hungarian
A tervezett projekt keretében termoanalitikai kutatásokat végzünk olyan rendszereken amelyek környezetvédelmi szempontból kiemelten fontosak. A hulladékok közül a műanyagok, valamint a mezőgazdasági hulladékok hasznosításának aktuális problémáival foglalkozunk. Olyan összetett rendszerek hőbomlását vizsgáljuk szisztematikusan inert atmoszférában, amelyek többféle polimert és adalékanyagot tartalmaznak, tehát összetételük a háztartási hulladékokéhoz hasonló. Különös figyelmet fordítunk a halogének reakcióira. A mezőgazdasági hulladékok közül az impregnálószereket tartalmazó hulladék fák pirolitikus lebontását és a nehézfémek sorsát vizsgáljuk. Ezenkívül egyéb nagy mennyiségben jelenlevő hulladék (pl. szalma, fakéreg) pirolitikus átalakításának reakcióit tanulmányozzuk. A papírgyártás alapanyagának, a rostpépnek a fehérítésére folyó enzimes kísérletekben veszünk részt, amely a környezetszennyező klóros fehérítést hivatott helyettesíteni. Ennek során pirolízises módszerrel meghatározzuk a maradék lignin mennyiségét, valamint a lignin átalakulási reakcióit a fehérítés folyamán.
A kutatások alapkutatás jellegűek, tehát a termikus reakciók mechanizmusát, és a termékeloszlást határozzuk meg, valamint vizsgáljuk a különböző paraméterek hatását a hőbomlási reakciók mechanizmusára. A kísérleteket termogravimetria-tömegspektrometria, pirolízis-gázkromatográfia-tömegspektrometria alkalmazásával és csőkemencés pirolízissel végezzük. Ezenkívül klasszikus analitikai meghatározásokat végzünk, amelyekkel a termikus vizsgálatok eredményeit összevetjük.
Summary
In this project we apply thermal analysis for studying macromolecular systems that are important for environmental reasons. Our research is related to the current problems of plastics recycling and the utilization of agricultural waste. We study the thermal decomposition of complex mixtures of various polymers and additives having similar composition as the communal waste. We pay special attention to the reactions of the halogen components of the plastics. We study the thermal reactions of impregnated waste wood and the behavior of the heavy metals. In addition, we study the pyrolytic reactions of some agricultural waste (e.g., straw, bark). We participate in the research on the biobleaching of pulp (raw material of papermaking). The goal of these experiments is to replace the widely applied bleaching sequences based on chlorine with an environmental friendly method. We determine the residual lignin content of the pulps by pyrolysis-gas chromatography and we study the modification of the lignin structure during bleaching.
We carry out basic research by studying the mechanisms and the product distributions of the thermal reactions. Furthermore, we study the effect of various parameters on the mechanism of the thermal decomposition reactions. The experiments will be carried out by thermogravimetry/mass spectrometry, pyrolysis-gas chromatography/ mass spectrometry and furnace pyrolysis. We will compare our results with the data of classical analytical methods.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Műanyagok pirolitikus újrahasznosításához és növényi eredeti anyagok termikus hasznosításához és analíziséhez kapcsolódtak a kutatásaink. A műszaki polimerek közül az ütésálló polisztirol és a polikarbonát égésgátló adalékaiból pirolíziskor keletkező bróm-tartalmú vegyületeket azonosítottuk. Megállapítottuk, hogy a bróm megkötésére ammóniát lehet alkalmazni, mivel a keletkező ammónium-bromid por könnyen elválasztható a többi terméktől. Kimutattuk, hogy a szinergista adalék Sb2O3,valamint az égésgátló ammónium-polifoszfát (APP) egyaránt elősegíti a polimerek elszenesedését pirolízis során. Megállapítottuk, hogy az APP égésgátlóból felszabadul az ammónia, és a visszamaradó polifoszforsav módosítja a polimerek bomlásmechanizmusát, amelyet tiszta polifoszforsav alkalmazásával igazoltunk. Környezetkímélő, enzimes eljárással fehérített rostpépek vizsgálata során módszert dolgoztunk ki a nagyon kis mennyiségű maradék lignintartalom (<1%) meghatározására “in-situ” pirolízis-GC/MS segítségével. Megállapítottuk, hogy az enzimes biofehérítés és a rostpép előállítás során a ligninek funkciós csoportjaiban kémiai változások mennek végbe, amelyek a további lignin eltávolítást (fehérítést) megnehezítik. Különböző mezőgazdasági alapanyagok és hulladékok pirolitikus hasznosításához végeztünk kísérleteket, amelynek során többféle szervetlen vegyület és a szerves extrahálható anyagok hatását tisztáztuk. Összefüggést állapítottunk meg a hőbomlási paraméterek és az alkáliion-tartalom között.
Results in English
This project has been related to the pyrolytic recycling of plastics and to the thermal utilization and analysis of biomass materials. Two technical polimers, high-impact polystyrene and polycarbonate have been studied and the brominated compounds have been identified among the pyrolysis products. We established that ammonia can be applied for trapping the bromine content because the ammonium-bromide powder formed can be easily separated from the other products.We demonstrated that both the synergyst Sb2O3 and the flame-retardant ammoniumpolyphosphate (APP) enhance the charring reactions during pyrolysis. We concluded that APP releases NH3 and the residual polyphosphoric acid modifies the decomposition mechanism of polymers, which was proved by the addition of pure polyphosphoric acid. Studying the pulps bleached by environmental friendly enzymatic process we determined the residual lignin content (<1%) by in-situ pyrolysis-GC/MS. We established that chemical reactions occurred in the functional groups of lignins during enzymatic biobleaching and pulping, which renders the further lignin elimination (bleaching) more difficult. We carried out experiments for the thermal utilization of various agricultural products and waste materials. We clarified the effect of various inorganic compounds and extractives on the thermal decomposition. We obtained correlations between the decomposition parameters and the alkali ion content.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=61504
Decision
Yes





 

List of publications

  
M. Brebu, E. Jakab, Y. Sakata: Effect of flame retardants and Sb2O3 synergist on the thermal decomposition of high-impact polystyrene and on its debromination by ammonia treatment, J. Analytical and Applied Pyrolysis, 79, 346-352., 2007
J. Bozi, Zs. Czégény, E. Mészáros, M. Blazsó: Thermal decomposition of flame retarded polycarbonates, J. Analytical and Applied Pyrolysis, 79, 337-345., 2007
E. Jakab, E. Mészáros, M. Omastová: Thermal Decomposition of Polypyrroles, J. Thermal Analysis and Calorimetry, 88, 515 – 521., 2007
A. Oudia, E. Mészáros, R. Simőes, J. Queiroz, E. Jakab: Pyrolysis-GC/MS and TG/MS study of mediated laccase biodelignification of Eucalyptus globulus kraft pulp, J. Analytical and Applied Pyrolysis, 78, 233-242, 2007
R.A. Khalil, E. Mészáros, M.G. Grønli, G. Várhegyi, I. Mohai, B. Marosvölgyi, J.E. Hustad,: Thermal Analysis of Energy Crops. Part I. The applicability of a macro thermobalance for biomass studies,, J. Analytical and Applied Pyrolysis 81, 52–59,, 2008
E. Mészáros, E. Jakab, G. Várhegyi: TG/MS, Py-GC/MS and THM-GC/MS study of the composition and thermal behavior of extractive components of Robinia pseudoacacia, J. of Analytical and Applied Pyrolysis, 79, 61 – 70., 2007
E. Mészáros, E. Jakab, G. Várhegyi, P. Tóvári,: Thermogravimetry/mass spectrometry analysis of energy crops,, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 88, 477 – 482., 2007
E. Mészáros, R.A. Khalil, M.G. Grønli, E. Jakab, G. Várhegyi, I. Mohai, B. Marosvölgyi: Thermal Analysis of Energy Crops. Part II. TG/MS and Py-GC/MS Studies, 17th International Symposium on Analytical and Applied Pyrolysis, Budapest, Hungary, 2006
C.J. Gómez, E. Mészáros, E. Jakab, E. Velo, L. Puigjaner,: Thermogravimetry/Mass Spectrometry Study of Woody Residues and an Herbaceous Biomass Crop Using PCA Techniques,, J. Analytical and Applied Pyrolysis, 80, 416 – 426., 2007
E. Mészáros, E. Jakab, G. Várhegyi, J. Bourke, M. Manley-Harris, T. Nunoura, M.J. Antal, Jr.,: Do all carbonized charcoals have the same chemical structure? Implications of TG-MS measurements,, Ind. Eng. Chem. Res., 46, 5943 -5953., 2007
E. Mészáros, M. Gáspár, K. Réczey, E. Jakab, G. Várhegyi,: Thermal analysis and pyrolysis techniques for studying the composition of differently pretreated corn fibers in fiber processing to ethanol,, Centenáriumi Vegyészkonferencia Proceedings, 2007. máj. 29. – jún. 1., Sopron, 2007
Mészáros E., Jakab E., Várhegyi G., Tóvári P., Ivelics R., Marosvölgyi B.,: Növényi eredetű biomassza anyagok termikus vizsgálata,, MTA Agrárműszaki Bizottság Ülése, Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás, Gödöllő, Nr. 31 (1) 33 – 37., 2007
Zs. Czégény, M. Blazsó,: Effect of phosphorous flame retardants on the thermal decomposition of vinyl polymers and copolymers,, J. Analytical and Applied Pyrolysis, 81(2), 218-224,, 2008
E. Jakab, E. Mészáros and J. Borsa,: Thermal decomposition of modified cellulose fibers, Centenáriumi Vegyészkonferencia, Sopron, 2007. május 29 – június 1., 2007
E. Cserta, H. Raupenstrauch, E. Mészáros, M.Poppenwimmer, P. Tóvári,: Thermal analysis of agricultural wastes used for energy production, AIChE Annual Meeting - Salt Lake City, Utah, November 4 -9, 2007, pp.:280-283, paper 610e, 2007
Mészáros E., Jakab E., Várhegyi G., C.J. Gómez, E. Velo, L. Puigjaner: Egy articsókaféle (Cynara cardunculus) hasznosítása energiaforrásként: pirolízis és termikus vizsgálatok, Műszaki Kémiai Napok, Veszprém, 2007. április 25., 2007
A. Oudia, E. Mészáros, E. Jakab, R. Simões, J. Queiroz, A. Ragauskas, L. Novák: Analytical pyrolysis study of biodelignification of cloned Eucalyptus globulus, Pinus pinaster Aiton kraft pulp and residual lignins, J. Analytical and Applied Pyrolysis, 85, 19-29,, 2009
E. Mészáros, E. Jakab, M. Gáspár, K. Réczey, G. Várhegyi: Thermal behavior of corn fibers, corn fiber gums prepared in fiber processing to ethanol, J. of Analytical and Applied Pyrolysis, 85, 11-18,, 2009
J. Bozi, Zs. Czégény, E. Mészáros, M. Blazsó: Conversion of the volatile thermal decomposition products of polyamide-6,6 and ABS over Y zeolites, Thermochimica Acta 472, 84–94, 2008
E. Jakab, E. Mészáros, J. Borsa: Pyrolysis Behavior of Cellulose Fibers Modified for Composites, 18th International Symposium on Analytical and Applied Pyrolysis, Lanzarote, Spain, 2008
E. Jakab, E. Mészáros, J. Borsa: Effect of Slight Chemical Modification on the Pyrolysis Behavior of Cellulose Fibers, J. Anal. Appl. Pyrolysis, 87, 117–123,, 2010
Sebestyén Z., May Z., Jakab E.: Lúgos előkezelések hatása a kender (Cannabis sativa L.) hőbomlására, Műszaki Kémiai Napok, Veszprém, 2009 április 21-23., 2009
Z. Sebestyén, Z. May, K. Réczey, E. Jakab: Effect of alkaline pretreatments on the thermal decomposition of hemp, 10th Conference on Calorimetry and Thermal Analysis and 2nd Joint Czech-Hungarian-Polish-Slovakian Thermoanalytical Conference, Zakopane, Poland, 30 Aug. - 3 Sep.,, 2009
Z. Sebestyén, E. Jakab, Z. May, K. Réczey: Principal Component Analysis of Thermoanalytical Data, 5th International Symposium on Computer Applications and Chemometrics in Analytical Chemistry, Budapest, 21 June – 25 June 2010., 2010
Z. Sebestyén, Z. May, K. Réczey, E. Jakab: The effect of alkaline pretreatment on the thermal decomposition of hemp, J. Thermal Analysis and Calorimetry, beküldve, 2010



Back »