Continuous Adsorption of Humins by Using Granulated Activated Carbon

Abstract

The demand for plastics is growing due to global population, economic growth and insufficient recycling, where new bio-based feedstocks must be investigated to meet future emission goals. 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) is a promising platform chemical that can produce Polyethylene furanoate (PEF) with similar characteristics to fossil-based polyethylene terephthalate (PET). The HMF can be produced by dehydration of fructose, where sugar beet molasses is a promising low-value feedstock in Sweden. However, the dehydration also results in formation of byproducts called humins, which require downstream purification. This thesis investigated experimentally if continuous adsorption with granulated activated carbon efficiently could remove these byproducts, examining the effect of temperature and residence time.

The production of HMF never reached a stable operating point varying reactor design, pH, residence time and catalyst. The adsorption experimental results showed that the adsorption of humins was favored by an increased temperature, indicating that the diffusion had a larger impact than the increase in solubility when increasing the temperature. The adsorption of HMF was unaffected by changes in temperature. The adsorption reached 95% removal of impurities and a recovery of 52% of HMF at 55°C and a residence time of 16 minutes. Further, a trade-off between HMF loss, productivity and energy demand needs to be considered for scale-up. The adsorption of the impurities can be described by the BET isotherm and pseudo first order kinetics. All the models evaluated for HMF fitted the experimental data set well. However, the Langmuir isotherm and pseudo first order kinetics are the simplest. The modelling was only based on one dataset, and there is a risk of overfitting where more data is needed to further evaluate and confirm the accuracy of the proposed models.

Popular Abstract (Swedish)

Världen idag är i ett stort behov av att byta ut fossila råvaror mot mer hållbara alternativ. Nya processer behöver utvecklas för att minska våra utsläpp, bland annat tillverkning av icke fossilbaserade plaster. Plasten polyetylenfuranoat (PEF) har visat stor potential som alternativ till PET, och kan tillverkas av 5-hydroymetylfurfural (HMF). HMF kan bland annat framställas från fruktos, vilket kan utvinnas från restprodukter av sockerindustrin. Att använda restprodukter innebär ytterligare en hållbarhetsaspekt, då detta inte ger ytterligare miljöpåverkan genom att använda resurser som finns tillgängliga. Utöver att processen är hållbar behöver den också vara produktiv och kostnadseffektiv för att ha potential att konkurrera med nuvarande fossila råvaror.

När man använder fruktos för att framställa HMF via en reaktion bildas även en mängd olika biprodukter. I framställningen är det önskvärt att reagera så stor mängd som möjligt av fruktosen, som sedan främst ska bilda HMF och så lite biprodukter som möjligt. Reaktionssteget behöver därför utforskas för att använda sig av driftsparametrar och en reaktordesign som ger optimerade resultat.

I nästa steg av processen måste dessa biprodukter separeras för att få en ren produkt. Detta kan göras genom adsorption, en metod som utnyttjar de olika ämnenas benägenhet att fästa sig på ett fast material. Den orena produkten förs genom ett rör packat med fast granulerat aktivt kol. I detta fall vill man adsorbera orenheterna på ytan av kolet, samtidigt som den önskade föreningen HMF stannar kvar i lösningen som flödar förbi kolet och ut som upprenad produkt.

I detta examensarbete utreds framställningen av HMF från fruktos genom att först hitta en optimal reaktordesign för att sedan utreda driftsparametrar. Lösningen renas sedan genom adsorption där olika kontakttider med kolet och temperaturer testas, för att sedan använda insamlade data för att utforska modeller som kan beskriva upprepningen. Dessa modeller kan i sin tur användas för att förstå processen ytterligare, och möjliggör en djupare förståelse vid en uppskalning av processen.

Experimenten visade en svårighet i att uppnå en stabil drift vid reaktion, som resulterade i sämre resultat än väntat. Detta steg behöver utredas ytterligare för att i framtiden vara en lönsam process. Uppreningen gav väntade resultat och kunde rena bort 94% av orenheterna, men som tyvärr också visade att 48% av mängden HMF också band in till kolet. Här finns möjligheter att testa metoder som förhoppningsvis kan få HMF att släppa från kolet, utan att samtidigt få med sig orenheterna. På grund av den ostabila driften i reaktionssteget fanns inte möjlighet att samla in tillräckligt med data för att beskriva uppreningen helt och hållet, men det visade på att det finns tydliga trender och stor potential att utveckla vidare med mer data.

• author: Engström, Lovisa and Larsson, Isabelle
• supervisor: Mikael Sjölin; Mahmoud Sayed
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: chemical engineering, adsorption, HMF, humins, separation
• language: English
• id: 9167286
• date added to LUP: 2024-06-26 11:39:29
• date last changed: 2024-06-26 11:39:29