The effect of physical and chemical pretreatments on the composition and thermal behavior of lignocelluloses  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
81959
Type K
Principal investigator Pekkerné Jakab, Emma
Title in Hungarian Fizikai és kémiai előkezelések hatása lignocellulózok összetételére és termikus tulajdonságaira
Title in English The effect of physical and chemical pretreatments on the composition and thermal behavior of lignocelluloses
Keywords in Hungarian lignocellulóz, előkezelés, pirolízis
Keywords in English lignocellulose, pretreatment, pyrolysis
Discipline
Analytical Chemistry (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Instrumental analysis
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Institute of Materials and Environmental Chemistry (Research Center of Natural Sciences)
Participants Blazsó, Marianne
Borbáth, Irina
Mészáros, Erika
Novákné Dr. Czégény, Zsuzsanna
Rajnai, Eszter
Sebestyén, Zoltán
Starting date 2010-07-01
Closing date 2014-06-30
Funding (in million HUF) 7.000
FTE (full time equivalent) 5.68
state closed project
Summary in Hungarian
Különféle módszerekkel előkezelt fa, kender és pamut mintákat vizsgálunk és termikus módszerekkel tanulmányozzuk az előkezelések hatását az összetételre és a termikus viselkedésre. Az előkezelések célja a faminták biodegradációval szembeni ellenállóképességének növelése, valamint a lignocellulózok alkalmassá tétele további feldolgozás céljára. A következő minták termikus tulajdonságait vizsgáljuk:
- Kender minták, amelyeket lúggal kezeltünk különböző körülmények között a szálak szétroncsolására,
- Alacsony hőmérsékleten hőkezelt faminták és réz-vegyülettel impregnált faminták a biodegradáció csökkentésére,
- Foszfor- és nátrium-vegyületekkel kezelt fa és faszén minták, amelyeket jó minőségű és nagy kitermelésű aktív szén előállítása céljából kezeltek.
- Titán-dioxiddal bevont pamut és karboxi-metilezett pamut minták a pirolízis szelektivitásának növelése céljából, amely nagyobb mennyiségű sztereoaktív bomlásterméket eredményez.
Összefüggéseket keresünk a minták összetétele, a hőbomlási paraméterek, a maradék szervetlen anyag tartalom valamint az előkezelési módszerek között főkomponens analízis segítségével.
Summary
Wood, hemp and cotton samples will be pretreated with various methods and the effect of pretreatments will be studied by thermal methods to reveal the changes in the composition and the thermal behavior of the samples. The objectives of the pretreatments are to enhance the resistance of wood against biodegradation and to make the lignocelluloses to be more suitable for further processing. The thermal properties of the following samples will be studied:
- Hemp treated with alkaline solution for disintegration of the fibers;
- Wood samples heat-treated at low temperatures, and wood samples impregnated with copper compounds to reduce the biodegradability of wood;
-Phosphorous and sodium-treated wood and char samples, which would be the raw materials for activated carbon of high yield and good quality;
-Titanium-dioxide coated cotton and carboxymethylated cotton for increasing the selectivity of pyrolysis resulting in high yield of stereoactive compounds.
We try to find correlations between the composition, the decomposition parameters and the residual inorganic components of the samples as well as the treatment methods with the use of principal component analysis.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Kémiai adalékokkal és termikusan előkezelt lignocellulóz mintákat tanulmányoztunk azzal a céllal, hogy a felderítsük a minták összetételének és hőstabilitásának változásait. A bioetanol-előállítás során alkalmazható előkezeléseken átesett mintákat vizsgálva megállapítottuk, hogy a gőzrobbantás és a lúgos kezelés nemcsak a rostokat roncsolja szét, hanem megváltoztatja a lignocellulózok kémiai összetételét is. Lecsökkent a hemicellulóz frakció mennyisége, hidrolizáltak az acetil-csoportok és módosultak a lignin molekulák funkciós csoportjai is. A gőzrobbantás során a lignin alkil-csoportjai lerövidültek, egy részük oxidálódott, és az aromás gyűrűn található metoxil-csoportok demetileződtek. Kimutattuk, hogy mindkét kezelés során változik a minták alkáliion-tartalma, ami lényegesen befolyásolja a hőbomlás mechanizmusát. Meghatároztuk a termikus és tömegspektrometriás paraméterek változását az alkáliion-tartalom függvényében. Meghatároztuk az aktív szén termokatalitikus szintézisének optimális körülményeit, és kiváló pórusszerkezetű nanopórusos aktív szenet sikerült előállítani foszforsavas előkezeléssel és lúgos aktiválással. Három nagyon különböző mintasorozat vizsgálatával megállapítottuk, hogy a lignocellulózokból keletkező metil-csoportokkal reagálnak a biomasszákban található szervetlen klorid-ionok éppúgy, mint a poli-vinil-kloridból lehasadó klorid-gyökök vagy a brómozott égésgátlóból felszabaduló bromid-gyökök metil-klorid és metil-bromid keletkezésével.
Results in English
Lignocellulose samples pretreated thermally and with chemical additives have been studied with the goal of determining the changes in composition and thermal stability. Studying lignocellulose samples pretreated for the bioethanol production it was established that the steam explosion and alkaline treatments lead to changes in the chemical composition in addition to the destruction of the fiber structure. The amount of hemicellulose components reduced, the acetyl groups are hydrolyzed and the functional groups of lignin are modified. During steam explosion, the alkyl groups were shortened, some of them were oxidized, and the aromatic methoxyl groups were demethylated. It was determined that the alkaliion-content of the samples were changed during both treatments that has great effect on the thermal decomposition mechanisms. The thermal and mass spectrometric parameters have been determined as a function of the alkaliion content. The optimal conditions of the thermocatalytic synthesis of activated carbon have been established, and a carbon material with a developed nanoporous structure has been synthesized using phosphoric acid pretreatment and alkaline activation. Studying three very different series of samples we determined that the methyl groups released from the lignocellulose samples react with the inorganic chlorine contents of biomass as well as the chlorine radicals evolving from polyvinylchloride and bromine radicals releasing from brominated flame retardants.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=81959
Decision
Yes





 

List of publications

  
Z. Sebestyén, Z. May, K. Réczey, E. Jakab: The effect of alkaline pretreatment on the thermal decomposition of hemp, J. Therm. Anal. Calor., 105, 1061–1069; DOI 10.1007/s10973-010-1056-6, 2011
G. Várhegyi, B. Bobály, E. Jakab, H. Chen: Thermogravimetric study of biomass pyrolysis kinetics. A distributed activation energy model with prediction tests, Energy & Fuels, 25, 24–32, 2011
Sebestyén Z., Lezsovits F., Jakab E. Várhegyi G.: Biomassza minták termikus analízise, 1. MKE Nemzeti Konferencia, Sopron, május 22-25, 2011
Z. Sebestyén, E. Jakab, Z. May, B. Sipos, K. Réczey: Thermal Characterization of Steam Exploded Lignocellulosic Raw Materials, The Fourth Annual Workshop of COST FP0602 Biotechnical Processing of Lignocellulosic Raw Materials, Izmir, Turkey, 22 – 24 September, 2010
B. Sipos, M. Szilágyi, Z. Sebestyén, R. Perazzini, D. Dienes, E. Jakab, C. Crestini, K. Réczey: Mechanism of the positive effect of poly(ethylene glycol) addition in enzymatic hydrolysis of steam pretreated lignocelluloses, C. R. Biologies 334, 812-823, doi:10.1016/j.crvi.2011.06.005, 2011
Z. Sebestyén, F. Lezsovits, E. Jakab, G. Várhegyi: Correlation between heating values and thermogravimetric data of sewage sludge, herbaceous crops and wood samples, J. Therm. Anal. Calorim. 110:1501–1509; DOI 10.1007/s10973-011-2078-4;, 2012
Z. Sebestyén, Z. May, B. Sipos, K. Réczey, E. Jakab: Structural characterization of steam exploded biomass samples by thermal methods, 19th International Symposium on Analytical and Applied Pyrolysis Linz, Austria 21-25 May 2012, 2012
G. Dobele, E. Jakab, A. Volpert, Z. Sebestyén, A. Zhurins, G. Telysheva: Formation of carbon materials in conditions of thermocatalytic synthesis, J Anal. Appl. Pyrolysis, http://dx.doi.org/10.1016/j.jaap.2012.12.031, 2013
Zs. Czégény, E. Jakab, M. Blazsó: Pyrolysis of wood, cellulose, lignin - brominated epoxy oligomer flame retardant mixtures, 19th International Symposium on Analytical and Applied Pyrolysis Linz, Austria 21-25 May 2012,, 2012
Z. Sebestyén, E. Jakab, Z. May, B. Sipos, K. Réczey: Thermal behavior of native, washed and steam exploded lignocellulosic biomass samples, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 101 (2013) 61–71., 2013
Zs. Czégény, E. Jakab, M. Blazsó: Pyrolysis of wood, cellulose, lignin–brominated epoxy oligomer flame retardant mixtures, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, http://dx.doi.org/10.1016/j.jaap.2012.11.002, 2013
E. Jakab: Chapter 3. Analytical techniques as a tool to understand the reaction mechanism, Thermo-Chemical Conversion of Biomass-Recent Advances, pp. 73-106. Eds.: A. Pandey, T. Bhaskar, M. Stöcker, R.K. Sukumaran, Elsevier,, 2014
Z. Sebestyén, C. Carsote, E. Badea, Zs. Czégény, L. Miu, M. Blazsó, J. Madarász, Gy. Pokol, C. Sendrea, E. Jakab: The role of pyrolysis and thermal analysis in the protection of cultural heritage, 20th International Symposium on Analytical and Applied Pyrolysis, Birmingham, 2014. 05.19-23., 2014
Zs. Czégény, E. Rajnai, Z. Sebestyén, G. Bakos, E. Jakab: Torrefaction study of some typical Hungarian biomass, 20th International Symposium on Analytical and Applied Pyrolysis, Birmingham, 05. 19-23., 2014
Z. Sebestyén, J. Bozi, E. Rajnai, T. Bhaskar, Z. May, I. Borbáth, E. Jakab: Thermoanalytical and chemical characterization of solid byproduct of biodiesel production from algae and jatropha seeds using mesoporous silica catalysts, 20th International Symposium on Analytical and Applied Pyrolysis, Birmingham, 05. 19-23., 2014
Sebestyén Zoltán: Biomassza anyagok jellemzése termikus analízis és analitikai pirolízis alkalmazásával, BME Oláh György Doktori Iskola, PhD dolgozat, 2014
Zs. Czégény, E. Jakab, J. Bozi, M. Blazsó,: Formation of chloromethane from lignocellulosic materials in the presence of PVC, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, beküldve, 2014




 

Events of the project

  
2014-04-17 14:32:28
Résztvevők változása
2013-09-17 16:55:28
Résztvevők változása



Back »