Evaluation of Transition Metal Catalysts for Biphasic Oxidative Depolymerization of Kraft Lignin
(2024) KETM05 20241Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
- Abstract
- To decrease the dependency of fossil-based raw materials in society, and with that, the chemical industry, new and sustainable raw materials need to be investigated. Lignin is an abundant aromatic biopolymer, that can be used to produce, e.g. aromatic fine chemicals through depolymerization. In this master’s thesis, different homogeneous and heterogeneous catalysts were screened for oxidative depolymerization of Kraft lignin in a biphasic system. Iron, copper- and cobalt-salts with different counter ions were screened homogeneously, and iron-copper, iron-cobalt, copper-cobalt and monometallic iron catalysts on zirconia support were screened heterogeneously. Samples were analysed and products quantified using ultra-high performance liquid... (More)
- To decrease the dependency of fossil-based raw materials in society, and with that, the chemical industry, new and sustainable raw materials need to be investigated. Lignin is an abundant aromatic biopolymer, that can be used to produce, e.g. aromatic fine chemicals through depolymerization. In this master’s thesis, different homogeneous and heterogeneous catalysts were screened for oxidative depolymerization of Kraft lignin in a biphasic system. Iron, copper- and cobalt-salts with different counter ions were screened homogeneously, and iron-copper, iron-cobalt, copper-cobalt and monometallic iron catalysts on zirconia support were screened heterogeneously. Samples were analysed and products quantified using ultra-high performance liquid chromatography coupled with high resolution mass spectrometry. The most abundant identified aromatic product for most catalysts was vanillin, reaching yields of up to 1.1 wt% with iron(III)chloride as homogeneous catalyst, which is an increase of 175% compared to using no catalyst. The difference between the best performing catalysts was not significant, so it is difficult to determine the most suitable catalyst for the system. In general, iron-based catalysts seem to favour a higher selectivity for vanillin, while copper catalysts produce a more diverse product pool. Among the homogeneous catalysts, the chloride salts generally gave higher vanillin yields. When nitrate salts were screened as catalysts, 5-nitrovanillin and other nitrated aromatics were formed, indicating that the catalysts were functioning as reagents. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Lignin är ett ämne som finns i alla växter och bidrar med stabilitet genom och skydd mot an-grepp från bland annat svampar och bakterier. Ämnet produceras i huvudsak som en biprodukt när träd används för att producera pappersmassa genom olika metoder, och omkring 100 miljoner ton lignin produceras varje år. Tack vare att lignin har en speciell struktur, där aromatiska molekyler är sammanlänkade i en kedja, kan lignin användas för att tillverka värdefulla kemikalier, i synnerhet vanillin. I dagsläget produceras majoriteten av dessa kemikalier från fossilbaserade råvaror och de kan användas som smak- och doftämnen i livsmedel och kosmetika, för tillverkning av plast och i läkemedelsproduktion. Genom att hitta en effektiv metod för att bryta... (More)
- Lignin är ett ämne som finns i alla växter och bidrar med stabilitet genom och skydd mot an-grepp från bland annat svampar och bakterier. Ämnet produceras i huvudsak som en biprodukt när träd används för att producera pappersmassa genom olika metoder, och omkring 100 miljoner ton lignin produceras varje år. Tack vare att lignin har en speciell struktur, där aromatiska molekyler är sammanlänkade i en kedja, kan lignin användas för att tillverka värdefulla kemikalier, i synnerhet vanillin. I dagsläget produceras majoriteten av dessa kemikalier från fossilbaserade råvaror och de kan användas som smak- och doftämnen i livsmedel och kosmetika, för tillverkning av plast och i läkemedelsproduktion. Genom att hitta en effektiv metod för att bryta ner lignin till aromatiska kemikalier kan fossila råvaror därmed ersättas av en billig och hållbar råvara som i dagsläget mestadels förbränns för att utvinna energi.
Det finns olika metoder för att omvandla lignin till värdefulla kemikalier, men alla utgår ifrån principen att klippa länkarna mellan de aromatiska enheterna i ligninet. I det här projektet har ett speciellt system använts, där ligninet bryts ner i saltsyra vid höga temperaturer, samtidigt som de värdefulla produkterna extraheras till en annan fas, bestående av oktanol, som skyddar dem från att ytterligare brytas ned. Syrgas används som ett oxideringsmedel som bidrar till att bryta bindningarna i ligninet. Eftersom lignin är ett komplext ämne som skiljer sig mycket beroende på hur det har utvunnits och vilken växtart det kommer ifrån, så kan det vara svårt att uppnå en hög produktion av dessa aromatiska kemikalier. Katalysatorer kan användas, för att snabba på och underlätta nedbrytningen. Katalysatorerna kan antingen vara salter som är upplösta i reaktions-vätskan - homogena katalysatorer - eller i en fast form som gör det lätt att separera dem från reaktionsvätskan och återanvända dem – heterogena katalysatorer. I det här projektet har olika järn, koppar och koboltsalter testats som homogena katalysatorer, och heterogena katalysatorer med samma metaller i olika kombinationer.
När katalysatorerna testades homogent visade det sig att järn har en positiv effekt på bildandet av vanillin, medan det bildades fler olika sorters produkter när koppar användes. Kobolt producerade minst vanillin. Det visade sig även att det bildade en helt egen typ av molekyler när nitrat-salter användes i reaktionen, nitrerade aromatiska kemikalier, i stället för vanillin och andra kemikalier som bildades av de andra katalysatorerna. När de heterogena katalysatorerna testades fanns samma trender att järn främjar vanillinproduktion och koppar främjar bildande av flera olika sorters ämnen. Trots att detta system med två faser tidigare har uppnått en effektiv omvandling av lignin till vanillin på 7 viktsprocent så uppnådde detta system maximalt 1.1 vikts-procent, vilket kan ha berott på skillnader mellan ligninet som användes och att syrgasen tog slut i systemet. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9166430
- author
- El Manira, Lina LU
- supervisor
- organization
- course
- KETM05 20241
- year
- 2024
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- chemical engineering, lignin, biomass conversion, catalysis
- language
- English
- id
- 9166430
- date added to LUP
- 2024-06-20 14:38:43
- date last changed
- 2024-06-20 14:38:43
@misc{9166430,
abstract = {{To decrease the dependency of fossil-based raw materials in society, and with that, the chemical industry, new and sustainable raw materials need to be investigated. Lignin is an abundant aromatic biopolymer, that can be used to produce, e.g. aromatic fine chemicals through depolymerization. In this master’s thesis, different homogeneous and heterogeneous catalysts were screened for oxidative depolymerization of Kraft lignin in a biphasic system. Iron, copper- and cobalt-salts with different counter ions were screened homogeneously, and iron-copper, iron-cobalt, copper-cobalt and monometallic iron catalysts on zirconia support were screened heterogeneously. Samples were analysed and products quantified using ultra-high performance liquid chromatography coupled with high resolution mass spectrometry. The most abundant identified aromatic product for most catalysts was vanillin, reaching yields of up to 1.1 wt% with iron(III)chloride as homogeneous catalyst, which is an increase of 175% compared to using no catalyst. The difference between the best performing catalysts was not significant, so it is difficult to determine the most suitable catalyst for the system. In general, iron-based catalysts seem to favour a higher selectivity for vanillin, while copper catalysts produce a more diverse product pool. Among the homogeneous catalysts, the chloride salts generally gave higher vanillin yields. When nitrate salts were screened as catalysts, 5-nitrovanillin and other nitrated aromatics were formed, indicating that the catalysts were functioning as reagents.}},
author = {{El Manira, Lina}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Evaluation of Transition Metal Catalysts for Biphasic Oxidative Depolymerization of Kraft Lignin}},
year = {{2024}},
}