Conversion of waste into fuel by thermal methods  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
123499
Type TNN
Principal investigator Novákné Dr. Czégény, Zsuzsanna
Title in Hungarian Hulladékok átalakítása tüzelőanyaggá termikus módszerekkel
Title in English Conversion of waste into fuel by thermal methods
Keywords in Hungarian biomassza, műanyag, hulladék, pirolízis, hőbomlás
Keywords in English biomass, plastics, waste, pyrolysis, thermal decomposition
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 Babinszki, Bence
Blazsó, Marianne
Pekkerné Jakab, Emma
Rajnai, Eszter
Sebestyén, Zoltán
Starting date 2017-12-01
Closing date 2022-08-31
Funding (in million HUF) 28.571
FTE (full time equivalent) 8.37
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A szilárd biomassza és műanyag hulladék termikus újrahasznosításával azok szervesanyag-tartalma értékes vegyipari alapanyaggá vagy tüzelőanyaggá alakítható, ezáltal csökkentjük a kőolajfelhasználást. A biomassza anyagok hatékony hasznosítása jelentősen mérsékli a fosszilis tüzelőanyagoktól való függést és a széndioxid kibocsátást, ezáltal csökkenti az üvegházhatást. A pályázat fő célja, hogy megismerjük a biomassza anyagok és biomassza-műanyag keverékek termikus úton történő újrahasznosítása során lejátszódó kémiai folyamatokat. A kiválasztott nyersanyagokat és az azokból különböző körülmények között keletkező bomlástermékeket részletesen analizáljuk. A vizsgálandó biomassza anyagok főleg amorf, oldhatatlan biopolimerek keverékéből épülnek fel, és a hagyományos műszeres technikák alkalmazásával nehezen vizsgálhatóak. Munkánk során termikus és hidrolitikus lebontás segítségével kisebb molekularészletekre bontjuk a biopolimereket és a termékeket azonosítjuk. A hőbomlási folyamatok megértése érdekében vizsgáljuk a bomlás hőmérsékletében, a keletkező termékek összetételében és relatív mennyiségében történő változásokat, amelyekből következtethetünk az egyes komponensek közötti kölcsönhatásokra.. A hőbomlási folyamatok alaposabb tudományos ismerete segíthet, hogy jobb minőségű termékeket gazdaságosabban állíthassunk elő termikus hasznosítási módszerekkel.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Távlati célunk, hogy változatos biomassza és biomassza-műanyag hulladék anyagok esetén megtaláljuk a termikus úton történő újrahasznosítás optimális körülményeit. Ennek érdekében következő kérdésekre keressük a választ: Mi a biomassza és a műanyag hulladékokban megtalálható természetes és mesterséges polimerek hőbomlásának a mechanizmusa? Hogyan változik a termikus stabilitás, a keletkező termékek összetétele és mennyisége a kiindulási biomassza hulladék összetételének függvényében? Milyen kölcsönhatások és katalitikus folyamatok játszódnak le hőbomlás során az egyes komponensek között? Milyen új termékek keletkeznek az intermolekuláris folyamatok során?,Amennyiben a termék káros, hogyan tudjuk elkerülni annak keletkezését?
A kérdésekre a nyersanyagok és a keletkező bomlástermékek részletes analízisének az útján keressük a válaszokat. A keverék anyagok esetén a tiszta alkotók jellemzőiből számolt additív termékösszetételétől és a bomlási hőmérséklettől való eltérés utal a komponensek között lejátszódó folyamatokra. A változatos minták különféle analitikai jellemzésével kapott nagy mennyiségű adatot statisztikai módszerrel is elemezzük az összefüggések könnyebb felismerése érdekében.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A pályázatban különféle nyersanyagok és hőbomlástermékeik kémiai összetételét vizsgáljuk részletesen azzal a céllal, hogy a folyamatok alaposabb megismerésével támogassuk a pirolitikus újrahasznosítás optimalizálását. Az irodalomban a biomassza anyagok összetételében bekövetkezett változásokat vagy hagyományos kémiai lebontás (hidrolízis) utáni elemzéssel, vagy pirolitikus lebontással jellemzik. A tervezett munkánk során másfajta megközelítést alkalmazunk: a hőkezelt és a kezeletlen mintákat mindkét technikával vizsgáljuk és az eredményeket együttesen értékeljük. Az alapkutatás egyik célja, hogy korrelációt találjunk a termikus bomlás és a hidrolitikus lebontás termékeloszlása között a bomlási mechanizmusok jobb megismerése céljából. További célunk, hogy az egyes biomassza minták esetén megtaláljuk az összetételüknek megfelelő optimális pirolízis körülményeket. Ezáltal minden biomassza a kémiai összetételének megfelelő módon lenne hasznosítható.
Keverékek hőbomlásakor az egyes komponensek kölcsönösen módosíthatják egymás bomlási mechanizmusát, melyek révén új, termékek tűnhetnek fel a folyadék- és gáztermékekben. Célunk ezen vegyületek forrásának és képződési mechanizmusának felderítése, ez különösen fontos káros molekulák képződése esetén. A környezet védelme érdekében a veszélyes vegyületek keletkezését el kell kerülni, vagy a keletkező termékelegyet ennek megfelelő módon kell kezelni.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A megújuló energiaforrások közül a biomassza az egyedüli szénforrás. Ez azt jelenti, hogy a modern társadalom számára fontos folyékony üzemanyag vagy szilárd tüzelőanyag előállításához a biomassza az egyetlen megújuló energiaforrás. A biomassza széleskörű felhasználása csökkenti a fosszilis energiahordozóktól való függést és a szén-dioxid kibocsátást. Világszerte évről évre nő a keletkező műanyag hulladék mennyisége. A biomassza és a műanyag hulladék újrahasznosításának egyik környezetbarát alternatívája a pirolízis, az a hulladék inert atmoszférában történő hőbontása. A pirolízis során a biomasszát és a műanyagokat alkotó makromolekulák kisebb molekulákká bomlanak, így cseppfolyós és gáznemű termék keletkezik. A visszamaradó szilárd szenes maradék tüzelőanyagként hasznosítható.
A pályázatban biomassza és biomassza-műanyag keverékek hőbomlása során lejátszódó kémiai folyamatok alaposabb tudományos megismerését tűztük ki célul. A hőbomlás mechanizmusának megértése segíti, hogy biomasszából és biomassza-műanyag keverék hulladékokból termikus módszerekkel gazdaságosabban állíthassunk elő értéknövelt termékeket.
A keverék anyagok hőbontásakor intermolekuláris kémiai reakciók játszódhatnak le az egyes komponensek között, így a kiindulási összetevők bomlástermékei alapján nem várt, új termékek jelenhetnek meg a bomlástermék-elegyben. Ennek felismerése különösen akkor fontos, ha ezek az új vegyületek károsak a környezetre vagy az egészségre. Fontos hogy megismerjük a nem kívánatos termékek forrását és képződési mechanizmusát, hogy elkerülhessük keletkezésüket vagy a megfelelő utókezelést alkalmazhassuk.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Conversion of biomass and waste plastics into fuel represents a suitable way for recovering the organic content of biomass and plastics waste, while preserving the valuable petroleum resources in addition to protecting the environment. The extensive use of biomass as a renewable energy source could reduce the dependence on fossil fuels, along with the low carbon dioxide emissions into the atmosphere, leading to less greenhouse effect. The main objective of this project is to gain information about the thermal decomposition processes taking place under recycling of biomass and biomass-plastic mixtures via thermal conversion into liquid and solid fuel. In this project, we will characterize the selected raw materials and their decomposition products in detail. Biomass materials are mainly built of mixtures of amorphous, insoluble biopolymers and their analysis is rather difficult by traditional instrumental techniques. We will characterize them by thermal methods and furthermore, we will determine the composition of the main biomass building blocks after hydrolysis. For understanding the chemical reactions taking place during pyrolytic waste elimination procedures we will examine the interactions between the components of biomass – plastic waste mixtures under pyrolysis by observing the alterations in the decomposition temperature as well as in the relative yield and composition of the pyrolysis products. Broadening the scientific information about the thermal decomposition processes could help in improving the quality of the products and the feasibility of the applied recycling method.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The ultimate objective of the research is finding the optimal conditions for recycling various biomass and biomass plastic mixtures by thermal methods. In order to step forward this direction we will focus on answering the following questions: What are the mechanisms of the thermal decomposition reactions of the natural and synthetic polymers present in biomass and plastic waste? How does the composition of the biomass raw material determine the decomposition temperature, composition and relative yield of the products? What kind of interactions, synergetic and catalytic effects are taking place between the components? What kind of new products are forming in this way, and if they are harmful, how can we avoid the formation of these compounds?
We will seek answers by analyzing the composition of the raw materials and that of the pyrolytic products in detail. During the analysis of mixed samples, the deviation from the additivity in the composition, yield or thermal decomposition temperatures will indicate the presence of synergetic or catalytic processes. The large number of data obtained by the analysis of various samples by numerous analytical techniques will be evaluated by statistical analysis method to help realize and understand the correlations.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
In the project we will characterize the chemical composition of the raw materials and the products in detail to provide fundamental information for the optimization of the pyrolytic recycling process. In the literature, the composition of biomass materials are studied either by the analysis of the hydrolysis products or by the determination of the pyrolysis products. In the planned project, we will apply a different approach: we will analyze the samples by both techniques and evaluate the results jointly. The aims of the fundamental research are to find correlation between the product distribution of the thermal and the hydrolytic decompositions for the better understanding of the underlying mechanisms and to study the chemical changes in the samples occurring during the pyrolysis processes. The ultimate goal of the research is to determine the optimal pyrolysis conditions for various biomass materials depending on their chemical composition. In this way, each type of biomass can be utilized by a suitable way according to its composition.
During the pyrolytic recycling of mixtures, the components can modify the decomposition mechanism of each other. As a result of synergetic reactions, new compounds may appear in the liquid or gaseous fractions. Revealing the source and formation mechanism of these compounds is essential, especially in case of deteriorative products. To avoid the formation of these compounds or to eliminate them by an appropriate treatment is important in order to protect the environment.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Among the renewable energy sources, biomass is the only carbon source, which means that biomass is the only renewable source for producing liquid fuel or charcoal, which are essential products of our modern society. The extensive use of biomass reduces the dependence on fossil fuels and the carbon dioxide emission. The amount of plastic waste is increasing worldwide year by year. The recycling of biomass and waste plastics into fuel by pyrolysis is an environmentally friendly utilization method. Pyrolysis is a thermal decomposition process performed in inert atmosphere. During the process, the macromolecules decompose to smaller molecules resulting in the formation of liquid and gas products. The carbonaceous solid residue of the process is the char, which can be utilized as a solid fuel.
In this project, we will work on broadening the scientific knowledge about the thermal decomposition reactions taking place during the pyrolysis of biomass and biomass-plastic mixtures. In this way, we would like to provide fundamental information for the better utilization of biomass materials and biomass – plastic waste mixtures in order to obtain valuable raw materials from waste materials by thermal methods.
During pyrolysis of mixtures, chemical reactions may take place between the components; therefore unexpected products may appear among the products. Our goal is to reveal these processes, with a special focus on those compounds, which are harmful for the environment or health. Understanding the source of these compounds is essential because we need to avoid their formation or treat these products accordingly.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A biomassza termikus átalakításával előállított termékek megújuló alternatívát kínálhatnak számos jelenleg fosszilis nyersanyagokat felhasználó alkalmazásban. A kutatási projekt célja a széles körből választott biomassza anyagok előkezelése és átfogó jellemzése révén a hőbomlás során lejátszódó folyamatok megismerésére. Megállapítottuk, hogy a cellulózzal ellentétben a hemicellulóz termikus stabilitását az alkáliionok nem csökkentik, azonban a hőbomlás mechanizmusát, a keletkező illó termékelegy összetételét módosítják. Zsírsavmetilészter (FAME) termékek keletkezését figyeltük meg nagy lipidtartalmú biomassza hőkezelésekor. A FAME keletkezésére mechanizmust javasoltunk, amit modellkísérletekkel igazoltunk. Megállapítottuk, hogy az azonos hőmérsékletű hidrotermális szenesítés erélyesebb degradációt eredményez a pirolízishez képest. A biomassza nyersanyag, a hőmérsékletprogram és az illó bomlástermékek reakciótérben töltött tartózkodási idejének hatását vizsgáltuk a faszén hozamára és a keletkező termékek tulajdonságaira. Igazoltuk a másodlagos reakciók jelentőségét a szénképződés során. Számos, főképp zeolit típusú katalizátor hatását jellemeztük biomassza, műanyag, és keverék minták lassú és gyorspirolízisére. Megállapítottuk, hogy a zeolit katalizátorok jelentős mértékben csökkentik a pirolízisolaj biomassza eredetű ecetsav tartalmát és növelik az aromás termékek arányát.
Results in English
Thermal conversion of biomass can offer renewable alternative in many applications using fossil-based feedstock at present. The goal of the project was to understand the thermal decomposition reactions by pretreating and characterizing a wide range of biomass materials. It was found that unlike cellulose, the thermal stability of hemicellulose is not reduced by alkali ions, but the thermal decomposition mechanism is affected resulting in a modified decomposition product distribution. The formation of fatty acid methyl ester (FAME) products was observed when biomass of high lipid content was thermally treated. A mechanism for FAME formation was proposed and verified by model experiments. It was found that the hydrothermal carbonization results in more severe degradation compared to pyrolysis performed at the same temperature. The effects of raw material, temperature program, and the residence time of the volatiles on the yields and properties of the products were investigated. The significance of the secondary reactions during char formation was confirmed. The effect of several catalysts, mainly zeolites on the slow and fast pyrolysis of biomass, plastic, and mixture samples was evaluated. It was found that zeolite catalysts significantly reduce the biomass-derived acetic acid content of pyrolysis oil and increase the proportion of the aromatic products.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=123499
Decision
Yes





 

List of publications

  
B. Babinszki, E. Jakab, V. Terjék, Z. Sebestyén, I.S. Czirok, J. Bozi, L. Attanatho, Y. Thanmongkon, Zs. Czégény: In situ formation of fatty acid methyl esters via thermally assisted methylation by lignin during torrefaction of oil palm biomass, Journal of Analytical and Applyed Pyrolysis 168 (2022) 105720, 2022
Sebestyén Zoltán, Blazsó Marianne, Jakab Emma, Miskolczi Norbert, Bozi János, Czégény Zsuzsanna: Thermo-catalytic studies on a mixture of plastic waste and biomass, JOURNAL OF THERMAL ANALYSIS AND CALORIMETRY 147 (2022) 6259–6270, 2022
Sebestyén Zoltán, Badea Elena, Carsote Cristina, Czégény Zsuzsanna, Szabó Tímea, Babinszki Bence, Bozi János, Jakab Emma: Characterization of historical leather bookbindings by various thermal methods (TG/MS, Py-GC/MS, and micro-DSC) and FTIR-ATR spectroscopy, JOURNAL OF ANALYTICAL AND APPLIED PYROLYSIS 162: 105428, 2022
E. Barta-Rajnai, Z. Sebestyén, E. Jakab, E. Patus, J. Bozi, L. Wang, Ø. Skreiberg, M Grønli, R. Khalil, Zs. Czégény: Pyrolysis of untreated and various torrefied stem wood, stump, and bark of Norway spruce, Energy and Fuels 33(4) (2019) 3210-3220, 2019
Babinszki B, Sebestyén Z, Jakab E, Kőhalmi L, Bozi J, Várhegyi G, Wang L, Skreiberg Ø, Czégény Zs: Effect of slow pyrolysis conditions on biocarbon yield and properties: Characterization of the volatiles, BIORESOURCE TECHNOLOGY 338: 125567, 2021
Sebestyén Zoltán, Blazsó Marianne, Jakab Emma, Miskolczi Norbert, Bozi János, Czégény Zsuzsanna: Thermo-catalytic studies on a mixture of plastic waste and biomass, JOURNAL OF THERMAL ANALYSIS AND CALORIMETRY, 2021
Babinszki, Bence ; Jakab, Emma ; Sebestyén, Zoltán ; Blazsó, Marianne ; Berényi, Bernadett ; Kumar, Jitendra ; Krishna, Bhavya B. ; Bhaskar, Thallada ; Czégény, Zsuzsanna: Comparison of hydrothermal carbonization and torrefaction of azolla biomass: Analysis of the solid products, JOURNAL OF ANALYTICAL AND APPLIED PYROLYSIS 149 p. 104844 Paper: 104844 (2020), 2020
B. Babinszki, E. Jakab, V. Terjék, Z. Sebestyén, G. Várhegyi, Z. May, A. Mahakhant, L. Attanatho, A. Suemanotham, Y. Thanmongkon, Zs. Czégény: Thermal decomposition of biomass wastes derived from palm oil production, Journal of Analytical and Applyed Pyrolysis, 155 Paper: 105069, 11 p., 2021
Sebestyén, Z. ; Jakab, E. ; Badea, E. ; Barta-Rajnai, E. ; Şendrea, C. ; Czégény, Z.: Thermal degradation study of vegetable tannins and vegetable tanned leathers, JOURNAL OF ANALYTICAL AND APPLIED PYROLYSIS 138 pp. 178-187. , 10 p. (2019), 2019
Babinszki, Bence ; Jakab, Emma ; Sebestyén, Zoltán ; Blazsó, Marianne ; Berényi, Bernadett ; Kumar, Jitendra ; Krishna, Bhavya B. ; Bhaskar, Thallada ; Czégény, Zsuzsanna: Comparison of hydrothermal carbonization and torrefaction of azolla biomass: Analysis of the solid products, JOURNAL OF ANALYTICAL AND APPLIED PYROLYSIS 149 p. 104844 Paper: 104844 (2020), 2020
E.Barta-Rajnai, B. Babinszki, Z. Sebestyén, S. I. Czirok, Z.May ,E.Jakab, Zs. Czégény: On the signifcance of potassium and chlorine content of lignocellulose during torrefaction, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 135 (2018) 32–43, 2018
E. Barta-Rajnai, Z. Sebestyén, E. Jakab, E. Patus, J. Bozi, L. Wang, Ø. Skreiberg, M Grønli, R. Khalil, Zs. Czégény: Pyrolysis of untreated and various torrefied stem wood, stump, and bark of Norway spruce, Energy and Fuels 33(4) (2019) 3210-3220, 2019
B. Babinszki, V. Terjék, E. Jakab, Z. Sebestyén, E. Barta-Rajnai, A. Mahakhant, L. Attanatho, A. Suemanotham, Y. Thanmongkhon, Zs. Czégény: Characterization of oil palm waste products, The 3R International Scientific Conference on Material Cycles and Waste Management, Bangkok, Thailand, 27 Feb.-1 Mar. 2019, 2019
Z. Sebestyén, B. Babinszki, V. Terjék, E. Barta-Rajnai, E. Jakab, Z. May, Zs. Czégény: Composition of the liquid phase products of rape straw formed during torrefaction, The 3R International Scientific Conference on Material Cycles and Waste Management, Bangkok, Thailand, 27 Feb.-1 Mar. 2019, 2019
Barta-Rajnai Eszter: Alacsony hőmérsékletű pirolízis hatása növényi minták összetételére és termikus viselkedésére, Oláh György Doktori Iskola, PhD dolgozat, 2018
B. Babinszki, V. Terjék, Zs. Czégény, Z. Sebestyén, E. Barta-Rajnai, E. Mahakhant, L. Attanatho, A. Suemanotham, Y. Thanmongkhon, E. Jakab: Thermal decomposition of biomass wastes derived from palm oil production, 2nd Journal of Thermal Analysis and Calorimetry Conference and 7th V4 (Joint Czech-Hungarian-Polish-Slovakian) Thermoanalytical Conference Budapest, Hungary, June18-21 20, 2019
E. Barta-Rajnai, B. Babinszki, Z. Sebestyén, E. Jakab, Cs. Fehér, Zs. Czégény: The chemical effects of torrefaction of biomass and its impact on enzymatic hydrolysis, The 3R International Scientific Conference on Material Cycles and Waste Management, Bangkok, Thailand, 27 Feb.-1 Mar. 2019, 2019
A.Suemanotham, L. Attanatho, A. Promtha, Zs. Czégény, E. Jakab, Z. Sebestyén, B. Babinszki, Y.Thanmongkhon: Waste palm derived solid fuel via hydrothermal carbonization in a pressurized reactor, 45th Congress on Science and Technology of Thailand, Chiang Rai, Thailand October 7-9 2019, 2019
E. Barta-Rajnai, L. Wang, Z. Sebestyén, B. Babinszki, R. Khalil, Ø. Skreiberg, M. Grønli, E. Jakab, Z. Czégény: Characterization of the pyrolysis products obtained during torrefaction of stem wood, stump and bark of Norway spruce, 22th International Symposium on Analytical and Applied Pyrolysis, Kyoto, Japan, June 3-8, 2018, poster, 2018
B. Babinszki, Emma Jakab, E. Barta-Rajnai, Z. Sebestyén, B. Thallada, J. Kumar, Zs. Czégény: Hydrothermal treatment and torrefaction of azolla biomass: analysis of solid products, 22th International Symposium on Analytical and Applied Pyrolysis, Kyoto, Japan, June 3-8, 2018, poster, 2018




 

Events of the project

  
2019-01-16 15:03:24
Résztvevők változása



Back »