Hydro-pyrolysis of lignocellulosic biomass over alumina supported Platinum, Mo₂C and WC catalysts

Abstract

In-line hydro-treatment of bio-oil vapor from fast pyrolysis of lignocellulosic biomass (hydro-pyrolysis of biomass) is studied as a method of upgrading the liquefied bio-oil for a possible precursor to green fuels. The nobel metal (Pt) and non-noble metal catalysts (Mo₂C and WC) were compared at 500 °C and atmospheric pressure which are same as the reaction conditions for fast pyrolysis of biomass. Results indicated that under the pyrolysis conditions, the major components, such as acids and carbonyls, of the fast pyrolysis bio-oil can be completely and partially hydrogenated to form hydrocarbons, an ideal fossil fuel blend, in the hydro-treated bio-oil. The carbide catalysts perform equally well as the Pt catalyst regarding to the aliphatic and aromatic hydrocarbon formation (ca. 60%), showing the feasibility of using the cheap non-noble catalysts for hydro-pyrolysis of biomass.

Key words： bio-oil; pyrolysis; hydro-deoxygenation (HDO); non-noble metal catalysts; hydro-treatment

Acknowledgements

The authors thank Miss Marta A. Machado from Universidade Federal do Rio de Janeiro, Brazil for guiding the carbide catalyst preparation.

References

1 Venderbosch R H. A critical view on catalytic pyrolysis of biomass. ChemSusChem, 2015, 8(8): 1306–1316

2 Nguyen T S, Zabeti M, Lefferts L, Brem G, Seshan K. Conversion of lignocellulosic biomass to green fuel oil over sodium based catalysts. Bioresource Technology, 2013, 142: 353–360

3 Zabeti M. Renewable Fuels via Catalytic Pyrolysis of Lignocellulose. Enschede: University of Twente Press, 2014, 18–29

4 Liu C, Wang H, Karim A, Sun J, Wang Y. Catalytic fast pyrolysis of lignocellulosic biomass. Chemical Society Reviews, 2014, 43(22): 7594–7623

5 Linck M, Felix L, Marker T, Roberts M. Integrated biomass hydropyrolysis and hydrotreating: A brief review. WIREs Energy and Environment, 2014, 3(6): 575–581

6 Ruddy D A, Schaidle J A, Ferrell J R III, Wang J, Moens L, Hensley J E. Recent advances in heterogeneous catalysts for bio-oil upgrading via “ex situ catalytic fast pyrolysis”: Catalyst development through the study of model compounds. Green Chemistry, 2014, 16(2): 454–490

7 Zacher A H, Olarte M V, Santosa D M, Elliott D C, Jones S B. A review and perspective of recent bio-oil hydrotreating research. Green Chemistry, 2014, 16(2): 491–515

8 Oyama S T. Novel catalysts for advanced hydroprocessing: Transition metal phosphides. Journal of Catalysis, 2003, 216(1-2): 343–352

9 Levy R B, Boudart M. Platinum-like behavior of tungsten carbide in surface catalysis. Science, 1973, 181(4099): 547–549

10 Oyama S T. Preparation and catalytic properties of transition metal carbides and nitrides. Catalysis Today, 1992, 15(2): 179–200

11 Ramanathan S, Oyama S T. New catalysts for hydroprocessing: Transition metal carbides and nitrides. Journal of Physical Chemistry, 1995, 99(44): 16365–16372

12 Szymańska-Kolasa A, Lewandowski M, Sayag C, Djéga-Mariadassou G. Comparison of molybdenum carbide and tungsten carbide for the hydrodesulfurization of dibenzothiophene. Catalysis Today, 2007, 119(1-4): 7–12

13 Szymańska-Kolasa A, Lewandowski M, Sayag C, Brodzki D, Djéga-Mariadassou G. Comparison between tungsten carbide and molybdenum carbide for the hydrodenitrogenation of carbazole. Catalysis Today, 2007, 207(119): 35–38

14 Ren H, Chen Y, Huang Y, Deng W, Vlachos D G, Chen J G. Tungsten carbides as selective deoxygenation catalysts: Experimental and computational studies of converting C₃ oxygenates to propene. Green Chemistry, 2014, 16(2): 761–769

15 Stellwagen D R, Bitter J H. Structure-performance relations of molybdenum- and tungsten carbide catalysts for deoxygenation. Green Chemistry, 2015, 17(1): 582–593

16 Hollak S A W, Gosselink R W, Van Es D S, Bitter J H. Comparison of tungsten and molybdenum carbide catalysts for the hydrodeoxygenation of oleic acid. ACS Catalysis, 2013, 3(12): 2837–2844

17 Michalsky R, Zhang Y J, Medford A J, Peterson A A. Departures from the adsorption energy scaling relations for metal carbide catalysts. Journal of Physical Chemistry C, 2014, 118(24): 13026–13034

18 Xiong K, Lee W S, Bhan A, Chen J G. Molybdenum carbide as a highly selective deoxygenation catalyst for converting furfural to 2-methylfuran. ChemSusChem, 2014, 7(8): 2146–2149

19 Xiong K, Yu W, Chen J G. Selective deoxygenation of aldehydes and alcohols on molybdenum carbide (Mo₂C) surfaces. Applied Surface Science, 2014, 323: 88–95

20 McManus J R, Vohs J M. Deoxygenation of glycolaldehyde and furfural on Mo₂C/Mo(100). Surface Science, 2014, 630: 16–21

21 Mamède A S, Giraudon J M, Löfberg A, Leclercq L, Leclercq G. Hydrogenation of toluene over β-Mo₂C in the presence of thiophene. Applied Catalysis A, General, 2002, 227(1-2): 73–82

22 Nagai M, Kurakami T, Omi S. Activity of carbided molybdena-alumina for CO₂ hydrogenation. Catalysis Today, 1998, 45(1-4): 235–239

23 Boullosa-Eiras S, Lødeng R, Bergem H, Stöcker M, Hannevold L, Blekkan E A. Catalytic hydrodeoxygenation (HDO) of phenol over supported molybdenum carbide, nitride, phosphide and oxide catalysts. Catalysis Today, 2014, 223: 44–53

24 He L, Qin Y, Lou H, Chen P. High dispersed molybdenum carbide nanoparticles supported on activated carbon as an efficient catalyst for the hydrodeoxygenation of vanillin. RSC Advances, 2015, 5(54): 43141–43147

25 Grilc M, Veryasov G, Likozar B, Jesih A, Levec J. Hydrodeoxygenation of solvolysed lignocellulosic biomass by unsupported MoS₂, MoO₂, Mo₂C and WS₂ catalysts. Applied Catalysis B: Environmental, 2015, 63: 467–477

26 Imran A, Bramer E A, Seshan K, Brem G. High quality bio-oil from catalytic flash pyrolysis of lignocellulosic biomass over alumina-supported sodium carbonate. Fuel Processing Technology, 2014, 127: 72–79

27 Tyrone G I, Sepúlveda C, Garcia R, García Fierro J L, Escalona N, DeSisto W J. Comparison of alumina- and SBA-15-supported molybdenum nitride catalysts for hydrodeoxygenation of guaiacol. Applied Catalysis A, General, 2012, 435-436: 51–60

28 Arun N, Sharma R V, Dalai A K. Green diesel synthesis by hydrodeoxygenation of bio-based feedstocks: Strategies for catalyst design and development. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2015, 48: 240–255

29 Zhou L, Lawal A. Hydrodeoxygenation of microalgae oil to green diesel over Pt, Rh and presulfided NiMo catalysts. Catalysis Science & Technology, 2016, 6(5): 1442–1454

30 Zhou L, Lawal A. Evaluation of presulfided NiMo/gamma-Al₂O₃ for hydrodeoxygenation of microalgae oil to produce green diesel. Energy & Fuels, 2015, 29(1): 262–272