Un nouveau procédé multiphase à basse température pour transformer la bio-huile de lignine en hydrocarbures pourrait aider à étendre l'utilisation de la lignine, qui est maintenant en grande partie un déchet issu de la production de cellulose et de bioéthanol à partir d'arbres et d'autres plantes ligneuses.

En utilisant un système catalytique double de particules de superacide et de platine, des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont montré qu'ils pouvaient ajouter de l'hydrogène et éliminer l'oxygène de la bio-huile de lignine, rendre le pétrole plus utile comme carburant et source de matières premières chimiques. Le processus, basé sur un cycle de l'hydrogène inhabituel, peut être fait à basse température et pression ambiante, améliorer la praticité de la mise à niveau et réduire l'apport d'énergie nécessaire.

« D'un point de vue environnemental et durable, les gens veulent utiliser du pétrole produit à partir de la biomasse, " dit Yulin Deng, professeur à l'École de génie chimique et biomoléculaire de Georgia Tech et à l'Institut des bioproduits renouvelables. "La production mondiale de lignine issue de la fabrication de papier et de bioéthanol est de 50 millions de tonnes par an, et plus de 95% de cela est simplement brûlé pour générer de la chaleur. Mon laboratoire recherche des méthodes pratiques pour améliorer les composés de lignine de faible poids moléculaire afin de les rendre commercialement viables en tant que biocarburants et produits biochimiques de haute qualité. »

Le processus a été décrit le 7 septembre dans le journal Énergie naturelle . La recherche a été soutenue par le Renewable Bioproducts Institute de Georgia Tech.

Cellulose, hémicelluloses, et la lignine sont extraites des arbres, herbes et autres matériaux de biomasse. La cellulose est utilisée pour fabriquer du papier, éthanol et autres produits, mais la lignine, un matériau complexe qui donne de la force aux plantes, est en grande partie inutilisée car elle est difficile à décomposer en huiles à faible viscosité qui pourraient servir de point de départ pour le kérosène ou le carburant diesel.

Les techniques de pyrolyse effectuées à des températures supérieures à 400 degrés Celsius peuvent être utilisées pour créer des bio-huiles telles que les phénols de la lignine, mais les huiles manquent d'hydrogène et contiennent trop d'atomes d'oxygène pour être utiles comme carburants. L'approche actuelle pour relever ce défi consiste à ajouter de l'hydrogène et à éliminer l'oxygène par un processus catalytique connu sous le nom d'hydrodésoxygénation. Mais ce processus nécessite désormais des températures et des pressions élevées dix fois supérieures à la température ambiante, et il produit du charbon et du goudron qui réduisent rapidement l'efficacité du catalyseur au platine.

Deng et ses collègues ont entrepris de développer un nouveau processus basé sur une solution qui ajouterait de l'hydrogène et éliminerait l'oxygène des monomères pétroliers à l'aide d'un système catalytique à tampon d'hydrogène. Parce que l'hydrogène a une solubilité très limitée dans l'eau, la réaction d'hydrogénation ou d'hydrodésoxygénation du biocarburant lignine en solution est très difficile. Le groupe de Deng a utilisé de l'acide polyoxométalate (SiW 12 ) en tant qu'agent de transfert d'hydrogène et catalyseur de réaction qui aide à transférer l'hydrogène gazeux de l'interphase gaz-liquide dans la solution en vrac par une extraction d'hydrogène réversible. Le processus a ensuite libéré de l'hydrogène en tant qu'espèce active H* à la surface d'une nanoparticule de platine sur carbone, qui a résolu le problème clé de la faible solubilité de l'hydrogène dans l'eau à basse pression.

"Sur le platine, l'acide polyoxométalate capture la charge de l'hydrogène pour former H ⁺ qui est soluble dans l'eau mais les charges peuvent être transférées de manière réversible à H ⁺ pour former un H* actif à l'intérieur de la solution, " a déclaré Deng. Comme résultat apparent, L'hydrogène gazeux est transféré en phase aqueuse pour former un H* actif qui peut réagir directement avec l'huile de lignine à l'intérieur de la solution.

Dans la deuxième partie du cycle inhabituel de l'hydrogène, l'acide polyoxométalate ouvre la voie à l'élimination de l'oxygène des monomères de bio-huile.

"Le super-acide peut réduire l'énergie d'activation nécessaire pour éliminer l'oxygène, et en même temps, vous avez plus d'hydrogène actif H* dans la solution, qui réagit sur les molécules d'huile, " Deng said. "In the solution there is a quick reaction with active hydrogen atom H* and lignin oil on the surface of the catalyst. The reversible reaction of hydrogen with polyoxometalate to form H ⁺ and then to hydrogen atom H* on platinum catalyst surface is a unique reversible cycle."

The platinum particles and polyoxometalate acid can be reused for multiple cycles without reducing the efficiency. The researchers also found that the efficiency of hydrogenation and hydrodeoxygenation of lignin oil varied depending on the specific monomers in the oil.

"We tested 15 or 20 different molecules that were produced by pyrolysis and found that the conversion efficiency ranged from 50 percent on the lower end to 99 percent on the higher end, " Deng said. "We did not compare the energy input cost, but the conversion efficiency was at least ten times better than what has been reported under similar low temperature, low hydrogen pressure conditions."

Operating at lower temperatures—below 100 degrees Celsius—reduced the problem of char and tar formation on the platinum catalyst. Deng and his colleagues found that they could use the same platinum at least ten times without deterioration of the catalytic activity.

Among the challenges ahead are improving the product selectivity by using different metal catalyst system, and developing new techniques for separation and purification of the different lignin biochemicals in the solution. Platinum is expensive and in high demand for other applications, so finding a lower-cost catalyst could boost the overall practicality of the process—and perhaps make it more selective.

While helping meet the demand for bio-based oils, the new technique could also benefit the forest products, paper and bioethanol industries by providing a potential revenue stream for lignin, which is often just burned to produce heat.

"The global lignin market size was estimated at $954.5 million in 2019, which is only a very small portion of the lignin that is produced globally. Clairement, the industry wants to find more applications for it by converting the lignin to chemicals or bio-oils, " Deng said. "There would also be an environmental benefit from using this material in better ways."