Matjaž Kunaver UTEKOČINJENA BIOMASA IN NJENA UPORABA. Kemijski inštitut Ljubljana in Center odličnosti PoliMaT

Transcription

1 UTEKOČINJENA BIOMASA IN NJENA UPORABA Matjaž Kunaver 1 Kemijski inštitut Ljubljana in Center odličnosti PoliMaT matjaz.kunaver@ki.si

2 ZAKAJ? 58.4% površine je pokrite z gozdom. Gozdne površine se povečujejo.

3 Lignocelulozna biomasa Celuloza Hemiceluloze lignin Glukoza Ksiloza, Arabinoza Etanol Gorivo Organske kisline, tekstilna vlakna, polimeri, lepila, maziva, črnila Polimeri, gorivo

4 Lignocelulozni materiali

5 Les glavne sestavine najbolj razširjen naravni polimer kompleksna zgradba: - celuloza 42 51% - hemiceluloze 24 40% - lignin 18 30% - ekstraktivi - pepel

6 Eksperimentalni pristop Depolimerizacija lesne biomase s polioli do multifunkcionalne oligomerne mešanice surovine za sintezo polimerov: Poliestri: nenasičeni in nasičeni Poliurethani

7 Eksperimentalni pristop: Cepitev β 1-4 glukozidnih vezi

8 Kaj je UTEKOČINJEN LES? Zmes depolimeriziranih in utekočinjenih komponent lesa rezultat reakcije s polihidroksi alkoholi in kislinskega katalizatorja. Utekočinjanje pretvori les v surovino za sintezo novih, okolju prijaznih polimerov.

9 Postopek utekočinjanja Laboratorijski reaktor za utekočinjanje lesa in druge biomase Pilotni reaktor za utekočinjanje lesa in druge biomase - GGP Postojna. (800kg/dan)

10 Postopek utekočinjanja Steklen reaktor z zunanjim gretjem, mešalo minut pri o C Tipična sestava reakcijske zmesi: Analize: g lesa (ali lignoceluloznega materiala) g glikolov (glicerol, dietilenglikol) - 12 g kisline - katalizatorja ( ptsa) - Izkoristek reakcije - FTIR, GPC analize - OH število UPORABIMO LAHKO GLICEROL IZ PROIZVODNJE BIODIESLA

11 Utekočinjanje različnih vrst lesa Topol (Populus spp.) Bukev (Fagus spp.) Jelka (Picea spp.) Hrast (Quercus spp.) Izkoristek reakcije: - 95% do 99% z uporabo p-toluen sulfonske kisline.

12 Poliester iz utekočinjenega lesa Cilj: sinteza poliestra z višjo molsko maso kot utekočinjen les in z enako funkcionalnostjo kot jo imajo komercialni produkti. Tipična sestava: - 300g utekočinjenega lesa - 60g adipinske kisline - 0.1g dibutikositrovega oksida Temp: o C, čas reakcije: do 4 ure

13 SINTEZA LINEARNEGA, NASIČENEGA POLIESTRA Mn Dalton Mw Dalton OH štev. mgkoh/g Viskoznost Pa.s % lesa (w/w) Utek.Les (UL) g UL, 60g AA g UL, 60g PAA g UL, 30g AA, 30g PAA

14 Trde poliuretanske pene iz U.L. ali UL-Poliestra Priprava PUR pene: KOMPONENTE: Ut. deleži UL ali UL-Poliester Katalizatorji DMEA Silikonski aditivi 1.5 Voda 3.0 MDI * MDI : difenilmetan diizocianat polimer DMEA: N,N-Dimetiletanolamin

15 Trde poliuretanske pene iz U.L. ali UL-Poliestra Poliuretanske pene iz utekočinjenega lesa ali poliestra na osnovi U.L. Gostota = g/ cm 3 Tlačna trdnost pri 10% deformaciji: 46kPa 74kPa Toplotna prevodnost: W/mK

16 IZOLACIJSKE LAHKE PLOŠČE Poliretanska pena iz poliestra na osnovi utekočinjene biomase MDF 3mm

17 Trde poliuretanske pene iz U.L. ali UL-Poliestra Lastnosti PUR pene so odvisne od sestave poliestra in od formulacije za izdelavo pene. Pigmenti za obarvanje in aditivi za izboljšanje lastnosti zlahka dodamo v končno formulacijo za izdelavo pene. Delež lesa: - 50% - 25 % v utekočinjenem lesu - 45% - 25% v linearnem poliestru - 20% - 10% v poliuretanski peni

18 INDUSTRIJA LESNIH KOMPOZITNIH PLOŠČ - MOŽNOSTI Svetovna proizvodnja 2011: 75 Mio m 3 Evropa: 37 Mio m 3 Azija: 32 Mio m 3 37 Mio m 3 : 17 Mio m 3 ivernih plošč 10% Adhesive 12 Mio m 3 MDF vlaknenih plošč 30% Adhesive 4 Mio m 3 Vezanih pllošč ~ 15% Adhesive 4 Mio m 3 OSB 5% Adhesive 17 Mio m 3 = 12 Mio Ton = 1.2 Mio Ton lepila

19 Izdelava ivernih plošč komercialna lepila: - melamin-urea-formaldehidno (MUF) - melamin-formaldehidno (MF) parametri stiskanja: - T = C - t = 2 3,5 min - p = 3 N/mm 2 testiranje fizikalnih in mehanskih lastnosti ivernih plošč skladno z Evropskimi standardi

20 Mehanske in fizikalne lastnosti troslojnih ivernih plošč, pripravljenih z lepilom, ki vsebuje 30 ut.% utekočinjenega lesa simulacija industrijskega procesa Zahtevane vrednosti Dosežene vrednosti Debelina EN 324 (mm) 16,0 ± 0, Gostota EN 323 (g/cm 3 ) Razslojna trdnost EN 319 (N/mm 2 ) Čvrstost površine EN 311 (N/mm 2 ) Upogibna trdnost EN 310 (N/mm 2 ) Debelinski nabrek EN 317 (%) Emisija formaldehida Perforator metoda EN 120 (mg/100g plošče) Več kot Več kot Več kot Manj kot Manj kot 8 3.2

21 LEPILA Z DODANO UTEKOČINJENO BIOMASO - UPORABA OPAŽNE PLOŠČE V GRADBENIŠTVU Melamin urea formaldehidno lepilo Utekočinjena biomasa

22 LEPILA Z DODANO UTEKOČINJENO BIOMASO - UPORABA LEPILO ZA PARKET: + 20% POLIESTRA IZ UTEKOČINJENE BIOMASE

23 LEPILA Z DODANO UTEKOČINJENO BIOMASO - UPORABA siva lepenka (recikliran odpadni papir) Melamin urea formaldehidna smola Utekočinjena biomasa Dekorativna folija, furnir Visoka nosilnost!

24 Poliester iz utekočinjenega lesa: Lepilo za vezane plošče Lepilo iz poliestra iz utekočinjenega lesa in melaminskoformaldehidne smole (1:1). POLiESTER: 500g Utekočinjen Les 50g Adipinska kislina 0.3g F ure pri 180 o C -220 o C OH število: 333.5mgKOH/g

25 Poliester iz utekočinjenega lesa: Lepilo za vezane plošče STANDARD EN 12765: Klasifikacija termično utrjujočih lepil za nestrukturne aplikacije... Lahko dosežemo več kot 12N/mm 2 vezivne moči. USTREZA KLASI C1 in C2

26 Share of renewable energy in final energy consumption ENERGIJA IZ BIOMASE 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30, Goal (2020) 20,00 10,00 0,00 Delež energije iz obnovljivih virov v skupni porabi energije v EU: trendi in cilji Vir: Eurostat, Share of renewable energy in gross final energy consumption, 2013.

27 Utekočinjen les - gorivo Rezervoar Predgretje PREDNOSTI: -Tekočina -Visoka kurilna vrednost -Visok delež obnovljivih virov Gorilnik peči centralnega ogrevanja SLABOSTI: - Korozivno (baker in medenina sta odporna) - Žveplo (1/2 dovoljene količine v kurilnem olju) - Pepel

28 KURILNA VREDNOST: MJ/kg ELEMENTNA SESTAVA: C : 49.2% H : 7.9% O : 41.9% N : 0.3% S : 0.4% Energija, potrebna za utekočinjanje: 1. Standardno brez ultrazvoka: 4.8 MJ/kg 2. Standardno z ultrazvokom: 1.6 MJ/kg 3. Utekočinjanje v pilotnem reaktorju: 0.45 MJ/kg (z uporabo ultrazvoka 2kW moči)

29 UTEKOČINJENA BIOMASA TEKOČE GORIVO Dovod goriva Predgrevanje, filtracija Izgorevalna komora Plinska turbina Velikost kapljic, uparevanje, čas zadrževanja Pepel, korozivni plini?

30 Gorivna komora v turbinskem motorju reaktivnega letala.

31 INOVATIVNA KONSTRUKCIJA ZA TESTIRANJE...

32 Testiranje pri 800 C izhod iz gorivne komore

33 Pomembno vprašanje: Je to ekonomično? 1. LEPILA za iverne plošče: 0.63 EUR/kg Dodatek 30% utekočinjene biomase: 0.53 EUR/kg Emisija formaldehida: manj kot 5mg/100g 2. Cena GORIVA za proizvodnjo 10kWh energije: Propan/Butan: 1.00 EUR Zemeljski plin 0.40 EUR Kurilno olje: 0.94 EUR Utekočinjena biomasa: 0.77 EUR

34 Zaključki Različne lignocelulozne materiale smo utekočinili z izkoristkom več kot 95%. Sintetizirali smo poliestre z uporabo utekočinjene biomase. Del polihdroksi alkoholov (iz surove nafte) smo tako nadomestili z obnovljivimi viri. Lastnosti poliuretanskih pen so primerljive komercialnim. Utekočinjeno biomaso smo uporabili kot lepilo za pripravo ivernih plošč z zmanjšano emisijo formaldehida in odličnimi mehanskimi lastnostmi. Poliestre na osnovi utekočinjene biomase lahko uporabimo v lepilih za različne namene Utekočinjeno biomaso smo uporabili kot gorivo. Učinkovito in inovativno lahko uporabimo lignoclulozno biomaso v sintezi polimerov. Pri tem lahko uporabimo tudi glicerol iz proizvodnje biodiesla.

35 Zahvale: - Kemijskemu inštitutu Ljubljana za vso podporo pri raziskavah, - Kolegom Laboratorija za kemijo in tehnologijo polimerov. -GGP za njihovo materialno in finančno pomoč. -Melaminu Kočevje za njihovo sodelovanje pri raziskavah in materialno pomoč. -Centru odličnosti PoliMaT (pogodba )