שיתוק heterogeneous הוא אבן הפינה של המרה ביולוגית מודרנית, המאפשר טרנספורמציה של מזון אורגני מתחדש לתוך דלקים נוזליים גזיים. בתהליך זה, זרז מוצק לפעול בשלב שונה מאשר המשיבים - נוזל נזלת או גז-phase גז-phases נגזרות - ניצול היתרונות הטבועים בהפרדה ומחזוריות. גישה זו תומכת בייצור בר קיימא על ידי תגובה, צמצום יעיל, ומניעה של תהליך ביולוגי חיוני.

יסודות הביומסה

המרה ביומסה כוללת מגוון של טכנולוגיות שהופכות חומרים אורגניים - שאריות חקלאיות, פסולת יער, גידולי אנרגיה ופסולת מוצקה עירונית - לדלקים ביו-דense אנרגיה.המוצרים העיקריים כוללים ביותנול, ביודיוזל, דיזל מתחדש, דלק ביו-ג'ט, כל אחד מהם משמש תחליף מתחדש לדלקים עמידים לנפט (coversion), אך ורק לתהליכי דלק כימיים יעילים), אך ורק לדלקתיים חשמליים, אך ורק לדלקתיים חשמליים, או לדלקתיים, טיפוליים יעילים, טיפוליים חשמליים, אך ורק לדלקתיים חשמליים, או דלקים כימיים יעילים, טיפוליים יעילים, טיפוליים יעילים, אך ורק לדלקתיים יעילים, אך ורק בדלקים ביולוגיים, טיפוליים יעילים, טיפוליים יעילים, אך ורק בדלקים חשמליים, טיפוליים מהירים, או דלקים יעילים, טיפוליים מהירים, טיפוליים מהירים, או דלקים חשמליים, או דלקים חשמליים, טיפוליים יעילים, טיפוליים מהירים, טיפוליים מהירים, טיפוליים מהירים, טיפוליים מהירים, טיפוליים יעילים, טיפוליים יעילים, טיפוליים יעילים, טיפוליים מהירים, טיפוליים מהירים, טיפוליים יעילים, טיפוליים מהירים, טיפוליים יעילים, טיפוליים חשמליים, טיפוליים יעילים, אך ורק

פסיכואנליזה: עקרונות ומכניזם

שיתוק heterogeneous מסתמכ על זרז מוצק המספק אתרים פעילים שבו מודעות מולקולות מגיבות, לעבור תגובה, ולאחר מכן desorb כמו מוצרים. הכימיה של פני השטח של זרז, מבנה pore, ונכסים אלקטרוניים שולטים הפעילות שלה וסלקטיביות. ב biomass המרה, תגובות מפתח להתרחש בממשק בין זרז מוצק ונוזל או גז-phasemas הנגזרים מביוטיקה טיפוסית כוללים פעולות של חמצן, Cvic-C, Cvic-C.

אתרי Active Sites and Surface Chemistry

אתרי Active On Heterogeneous זרז יכול להיות מתכתי (למשל, Pt, Ni, Ru), חומצה (Brønsted או לואיס חומצה אתרי zeolites, sulfated zirconia), בסיסי (MgO, hydrotalcites), או bifunctional (שילובים מטבוליים) zemos, אתרי חומצה קטסולפת ו de hydroalyation של אתרי מימן, תוך כדי להקל על מנת למנוע משככי חמצן קריטי (דלקת) ולהפחית את רמות מתכת כגון סוכר).

תגובות על מנגנונים בביומסה

מסלולים מכניסטיים משתנים עם הזנה.לדוגמה, הידרוליזה צלולוז על זרז חומצה מוצקה ממשיך באמצעות פרוטה של אג"ח גליקואידי, ואחריו cleavage והקמה של מונומרנים גלוקוז. ב הידרודוקסיגנציה של זרז phenolics erked phenic phenic phenol פרסומות באמצעות זוג חמצן בודד, מימן מחולקים באתרי מימן, וחמצן אלה מנפחים.

תגובות על Biomass Upgrading

כמה תגובות בסיסיות הן heterogenelyzed heterogenelyzed כדי להמיר ביניים biomass-derived לתוך דלקים ביו-דלקים:

הידרוליטיזה ודייב

Hydrolysis breaks down cellulose and hemicellulose into fermentable sugars, often using solid acid catalysts such as sulfonated carbons or zeolites. Dehydration of sugars, such as glucose to 5-hydroxymethylfurfural (HMF) or fructose, proceeds on Brønsted acid sites and is a critical step toward furan-based biofuel precursors.

הידרוגנס ו- Hydrodeoxygenation

(הההחלות של ה-C=C ו- C=O אג"ח, צמצום אי-החלון ושיפור יציבות הדלק. הידרודוקסגנס מסיר חמצן בצורת מים, ייצור שרשראות פחמיות דומות לדלקים.ממתים נאצלים (Pt, Pd, Ru) ו מתכות בסיס (Ni, Co, Mo) תומך כמו AlFreas:02LT3Freas)

C-C Coupling ו-Olaigomerization

כדי לייצר דלקים ארוכי שרשרת עבור דיזל או יישומי סילון, C-C הפיכה תגובות (זיהום מבוקר, קטנון, oligomerization) לשדרג חמצן קטן. Solidbases (MgO, Mg-Al מעורב oxides) וזרזי חומצה (zeolites) לקדם תגובות אלה.

רפורמות וגזיביות

רפורמת קיטור קטליטית של שמן ביו-גז (methane, COVER:0203earFLT:1) מייצרת סינגיה (HoriFLT:203FLT 3 + CO), אשר מומרת לדלקים באמצעות Fisher-Tropsch סינתזה.

Catalysts Heterogeneous Catalysts

מתכת Oxide

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Zeolites and Meso ⁇ Materials

Zeolites (למשל, H-ZSM-5, Beta, Y) מציעים micropores אלקטרו-סלקטיבית ורשתות חומצה חזקות כי קטאז סדקים, אטומיזציה, ו alkylation. in biomass המרה, ZSM-5 משמש נרחב עבור pyrolysis מהיר קטליטי של ליגנולוז כדי להניב פחמימנים ו-olefins (מ"מ"מ) מאפשר לעתים קרובות יותר עם חומרים ⁇ -R.

Metals

מתכות נובלות (Pt, Pd, Ru, Rh) ומתכות בסיס (Ni, Co, Mo, Cu, Fe) נתמך על פחמן, אלומיניום, או סיליקה הם סוסי העבודה עבור מימן ו HDO. Bimetallic זרזים (למשל, Ni-Mo או Co-Mo sulfides) מפגינים פעילות מוגברת וסלקטיביות עקב השפעות סינרגיסטיות על מימן הוא יעיל במיוחד עבור פחמן-חמצני.

Catalysts מבוסס פחמן

פחמן מופעל, צינורות פחמן, וזרזים נתמך גרפן מציעים שטח משטח גבוה והתנגדות לסביבות חומציות נתקלו במהלך הידרוליזה. Sulfonated פחמן משלבים אתרי חומצה Brønsted חזק והם יעילים עבור הידרוליזה צלולוז. Nitrogen-do פחמן יכול גם לפעול כמו זרזים ללא מתכת עבור חמצון או מימן.

Catalysts פונקציונלי ורב-תפקודי

זרזים פונקציונליים משלבים אתרי מתכת עבור מימן עם אתרי חומצה עבור dehydration או aomerization.לדוגמה, Pt /SOFLT:0403FLT:1-ZrOphFLT:203303FLT 3, לדוגמה, המרת אחד-pot של צלולוז ל hexane באמצעות quentiallysis, dehydration, מימן ו-avastivation.

יתרונות ומגבלות

יתרונות מפתח

  • הפרדה קלה ומחזוריות: זרזים מוצקים מסוננים או מצטמצמים ממוצרים נוזליים, המאפשרים שימושים מרובים ללא אובדן פעילות משמעותי.
  • שיעורי תגובה משופרים וסלקטיביות: אתרים פעילים מותאמים מאיצים מסלולים הרצויים תוך דיכוי תגובות צד.
  • תאימות עם עיבוד מתמשך: כורים שטוחים או מזחלות מאפשרים פעילות יציבה של המדינה, להגדיל את דרך הידוק וצמצום זמן השבת.
  • חלונות תפעול רחב יותר: זרזים heterogeneous לסבול טמפרטורות גבוהות יותר ולחצים מאשר זרז ביולוגי רבים (אנזימים), הרחבת טווח הזנות המשתנים.

הגבלות חמורות

  • Catalyst deactivation: coking (התערת פחמן), חטא של חלקיקי מתכת, הרעלה על ידי תרכובות sulfur או חנקן, ו-לחמת מינים פעילים במים נוזליים חמים להפחית את חיי הזרז.
  • מגבלות העברה המונים: דיפוזיה פוירה יכולה להפוך להפחתה בקצב של מולקולות ביומסה גדולות (ליברין oligomers, פוליסכריזידים), המוביל המרה או שינוייםסלקטיביות לא שלמים.
  • עלות גבוהה של מתכות יקרות: מתכות אציליות כמו Pt, Pd, ו Ru הם יקרים; פיתוח חלופות בסיסיות או מתכת חינם הוא אזור מחקר פעיל.
  • אתגרים נבחרים במזונות מורכבים: ביומסה אמיתית מכילה תערובת של תרכובות; זרזים עשויים לייצר סלפט מוצר רחב הדורש שדרוג נוסף.

התייחסות למגבלות אלה דורש חידושים בעיצוב זרז - כגון נקבוביות היררכית, ציפויי מגן, ו ⁇ דו-מטאלי - ובהנדסת כור (למשל, חידוש תקופתי, האכלה מובנת).

מחקרים: תהליכים מסחריים ומקריים

Biodiesel הפקה באמצעות Transesterification

מבחינה מסחרית, ביודיוזל מיוצר על ידי רנססטרציה של שמנים צמחיים או שומן בעלי חיים עם methanol באמצעות זרזי בסיס הומוגני (NaOH, KOH), עם זאת, זרז heterogeneous כגון CaO, MgO, ו תחמוצת שמש מעורבת (למשל, Mg-Al hydrotalcite) פותחו עבור ירוק יותר, בקלות רבה יותר טמפרטורות סימטריות (ב) כמו טמפרטורות מבוזרות (Hx) עם טמפרטורות יעילות) עם טמפרטורות יעילות (Ricivated) טמפרטורות יעילות (Cen) טמפרטורות יעילות (בטווח בינוניות (במטר) טמפרטורות).

צלולוסית Ethanol וסוכר Dehydration

בייצור תאולוסי של Ethanol, הידרוליזה חומצה דילולית נעה לעבר זרזי חומצה מוצקה כדי להימנע משחיתות ועלויות נייטרליות. זרזי פחמן מלוטשים שמקורם ביומסה עצמה (למשל, מ lignfurin או שפכים קפה), להראות פעילות דומה חומצות דלק נוזליות עבור hydrolysis תאים, כגון Beta Renewables ו DuPod יש תהליכי היברידית, אך ורק עבור רזולוציה של 2DSD).

Deadsel Renewable באמצעות hydroprocessing

(החלת שמנים צמחיים ושומנים בעלי חיים על פני Ni-Mo או Co-Mo sulfides מייצרת דיזל ירוק (HVO -hydroraped צמחי שמן), אשר זהה מבחינה כימית דיזל שמן.התהליך מניב מספרים גבוהים ונכסים מצוינים של זרימה קרה ביחידות מסחריות המופעלות על ידי נסטלה (תהליך NEXBTL), UOP/Ecfining), ואחרים משתמשים קבוע כור קבוע ב-FL2400-Factus-R.

Catalytic Fast Pyrolysis (CFP)

CFP ממשיך ישירות להמיר ביומסה מוצקה לתוך שמן ביו נוזלי כי הוא באופן חלקי deoxygenated בתוך הכור pyrolysis באמצעות zeolite זרז (בדרך כלל H-ZSM-5) התהליך מייצר פחמימנים ארומטיים (benzene, toluene, xylene) ו olefins, אשר יכול להיות מעורבב עם דלקים קונבנציונליים או חברות נוספות משודרגות כמו רנצה ודרישה כדי לשמור על ייצור משותף.

קווי עתיד וגבולות מחקר

אטומי-Scale Catalyst Design

התקדמות בכימיה חישובית (תאוריה פונקציונלית של שקיפות, למידת מכונה) מאפשרת כעת לחוקרים לחזות ביצועים זרז ולמדריך סינתזה. זרז יחיד-atom (למשל, אטומי Pt מפוזרים על FecioFLT:0203303FLT:2uaFLT:23LT 3) ממקסימים ניצול מתכת ולהראות ייחודי של COL עבור חמצון ומימן, בעוד ש- HD-Omas עשוי להציע תחלומטרים.

Machine Learning and High- Throughput Experimentation

בדיקות מהירות של ספריות זרז בשילוב עם מודלים למידת מכונה מאיצה גילוי של יצירות אופטימליות. חוקרים במעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת (NREL) וקבוצות אקדמיות להשתמש בכלים אלה כדי לחזות פעילות לתגובות כגון הידרודה-אוקסגנס של תרכובות פנוליטיות. גישה זו מפחיתה את הניסוי-וטרור ויכולה לחשוף השפעות סינרגיות בלתי צפויות במערכות מולטי.

תכונות מתקדמות ו in Situ Studies

(א) ספקטרום של אופרה (x-rayקליטת, ראמן, IR) ומיקרוסקופיות (TEM, STEM) בתנאי תגובה חושפים כיצד זרז מתפתח במהלך המרה ביומסה.הבנת מנגנוני הפחתת הזרז - כגון היווצרות coke על אתרי חומצה זאוליתית או חטא של חלקיקים מתכת - עיצוב רציונלי של חומרים יציבים יותר, למשל, עם ציפויים של 3F2F2D2:

Biomass-Derived Catalysts ו- Waste Valorization

באמצעות זרזים מבזבזניים (למשל, ביושר, אפר או הידרוכריז) עבור המרה ביומסה סוגרת את הלולאה על ניהול פסולת. Sulfonated biochar מהנר תירס הוכח הידרוליזה צלולוז עם התשואות דומות לחמצות מוצקות מסחריות.

תהליך העצמת ואינטגרציה

שילוב של צעדים קטליטיים עם הפרדה קרום, זיקוק מחדש, או חימום מיקרוגל יכול להפחית צריכת אנרגיה ועלויות הון.לדוגמה, כור יחיד המשלב הידרוליזה, התייבשות, ומימן על פי Pt /SOFLT:04FLT:1-ZrOFLT: 22FLT 3 זרז להמיר תאים תחרותיים ישירות להורדתם תעשייתית, עם פחות מזהמים מבחינה כלכלית.

מסקנה

שיתוק heterogeneous נשאר חיוני כדי להמיר biomass בשפע לתוך דלק ביולוגי מתחדשים.מב biodiesel transesterification קונבנציונאלי זרז catalytic מהיר הידרודה-חמצן, זרז מוצק מאפשר סלקטינים, יעילים, בר קיימא מסלולים, תוך חיזוק אתגרים מתמיד - שכפול, העברה המונית, ועלות - על חידושים מתמשכת בתכנון, חיזוי חישובי, ושילוב אלה כדי להגביר את פליטות אנרגיה אלקטרונית מתמשכת, להמשיך ולהגביר את הפחתת כוח המשיכה.

לקריאה נוספת, ראה ביקורות מקיפים על הביומסה בקטאליזה (FLT:0) National Renewable Energy LaboratoryFLT:1, theFLT:2Chemical Society Reviews article on Catalytic ההמרה של LignocelluloseFLT 3: ועמוד הנושא הראשי FLT:4 מדע ראשי על heterogeneous CatulationFLT:55