ODPADEK IZ BIOMASE KOT SUROVINA IN ENERGETSKI VIR · polihidroksi alkoholi in kislinskega katalizatorja. Utekočinjanje pretvori les v surovino za sintezo novih, okolju prijaznih

Slovenski biopolimerni dan Slovenj Gradec, 5.6.2014

Matjaž Kunaver

Kemijski inštitut Ljubljana

[email protected]

ODPADEK IZ BIOMASE KOT SUROVINA IN ENERGETSKI VIR


ZAKAJ? 58.4%

površine je

pokrite z

gozdom.

Gozdne

površine se

povečujejo.

Samo ½

letnega

prirasta

posekamo.


Lignocelulozna

biomasa

Celuloza Hemiceluloze lignin

Glukoza Ksiloza, Arabinoza

Etanol

Gorivo Polimeri,

gorivo

Organske kisline,

tekstilna vlakna,

polimeri, lepila, maziva,

črnila


Lignocelulozni materiali


Ljubljana – Zbirni center Barje

350.000 prebivalcev:

5.700 ton lesnih odpadkov (pohištvo)

2.300 ton zeleni odrez

Podatki iz leta 2010


Les – glavne sestavine • najbolj razširjen naravni polimer

• kompleksna zgradba:

- celuloza 42 – 51%

- hemiceluloze 24 – 40%

- lignin 18 – 30%

- ekstraktivi

- pepel


Eksperimentalni pristop

Depolimerizacija lesne biomase s polioli do multifunkcionalne

oligomerne mešanice – surovine za sintezo polimerov:

Poliestri: nenasičeni in nasičeni

Poliuretani


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.


Postopek utekočinjanja

Pilotni reaktor za utekočinjanje

lesa in druge biomase - GGP

Postojna. (1200kg/dan)

Laboratorijski reaktor za

utekočinjanje lesa in druge

biomase


Utekočinjena biomasa

LEPILA

POLIESTRI,

POLIURETANSKE

PENE

GORIVO


Poliestri: nenasičeni in nasičeni

Poliuretani

Sinteza poliestra na osnovi utekočinjenega lesa:

- V istem reaktorju kot za utekočinjanje biomase

- Dodamo večfunkcionalne organske kisline

- Reakcija poteka pri 180oC do 200oC 2 do 4 ure

- Pogoji so podobni, kot pri sintezi poliestra za

premaze in kompozite.


Trde poliuretanske pene iz U.L. ali UL-Poliestra

Poliuretanske pene iz

utekočinjenega lesa ali

poliestra na osnovi U.L.

Gostota = 40 - 50 Kg/m3

Tlačna trdnost pri 10%

deformaciji:

300kPa – 400kPa

Toplotna prevodnost:

0.028-0.036W/mK


Poliretanska pena iz

poliestra na osnovi

utekočinjene

biomase

IZOLACIJSKE LAHKE PLOŠČE

MDF 3mm


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

Trde poliuretanske pene iz U.L. ali UL-Poliestra


INDUSTRIJA LESNIH KOMPOZITNIH PLOŠČ - MOŽNOSTI

Svetovna proizvodnja 2011: 75 Mio m3

– Evropa: 37 Mio m3

– Azija: 32 Mio m3

37 Mio m3:

17 Mio m3 ivernih plošč 10% Adhesive

12 Mio m3 MDF vlaknenih plošč 30% Adhesive

4 Mio m3 Vezanih plošč ~ 15% Adhesive

4 Mio m3 OSB 5% Adhesive

17 Mio m3 = 12 Mio Ton = 1.2 Mio Ton lepila


Izdelava ivernih plošč

• komercialna lepila:

- melamin-urea-formaldehidno (MUF)

- melamin-formaldehidno (MF)

• parametri stiskanja:

- T = 140 - 180°C

- t = 2 – 3,5 min

- p = 3 N/mm2

• testiranje fizikalnih in mehanskih lastnosti ivernih plošč skladno z Evropskimi standardi


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 ± 0,3 16.1

Gostota EN 323 (g/cm3) - 0.72

Razslojna trdnost

EN 319 (N/mm2) Več kot 0.35 0.94

Čvrstost površine

EN 311 (N/mm2) Več kot 0.8 1.96

Upogibna trdnost

EN 310 (N/mm2) Več kot 13 21.1

Debelinski nabrek

EN 317 (%) Manj kot 15 8.2

Emisija formaldehida

Perforator metoda

EN 120 (mg/100g plošče)

Manj kot 8 3.2


•siva lepenka (recikliran

odpadni papir)

•Melamin urea

formaldehidna smola

•Utekočinjena biomasa

•Dekorativna folija, furnir

Visoka nosilnost!

LEPILA Z DODANO UTEKOČINJENO BIOMASO

- UPORABA


Lahko dosežemo več kot

12N/mm2 vezivne moči.

STANDARD EN 12765:

Klasifikacija termično utrjujočih

lepil za nestrukturne aplikacije...

USTREZA KLASI C1 in C2

Poliester iz utekočinjenega lesa:

Lepilo za vezane plošče

Lepilo iz poliestra iz utekočinjenega lesa in melaminsko-

formaldehidne smole (1:1).



- UPORABA

•Melamin urea

formaldehidno lepilo

•Utekočinjena biomasa

OPAŽNE PLOŠČE V

GRADBENIŠTVU


•LEPILO ZA PARKET:

+ 20% POLIESTRA IZ UTEKOČINJENE BIOMASE


- UPORABA


•Dolžina: ~200nm, premer:~ 20nm

•IZKORISTEK: 90%

nanokristalinične celuloze iz

različnih virov.

•Suspenzija v različnih topilih.

•Visoka kompatibilnost.

•Enostavna modifikacija.

NANOKRISTALINIČNA CELULOZA


0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00S

ha

re o

f re

ne

wa

ble

en

erg

y i

n f

ina

l e

ne

rgy

co

nsu

mp

tio

n

2008

2009

2010

Goal (2020)

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.

ENERGIJA IZ BIOMASE


Rezervoar Zgorevanje

Utekočinjen les - gorivo

Kurilna vrednost: 22-24 MJ/kg

Rjavi premog: 21 MJ/kg

Suh les: 14,5 MJ/kg

Lignit: 15 MJ/kg

Kurilno olje: 42 MJ/kg

- proizvodnja toplote: gorilnik centralnega ogrevanja

Predgretje

- soproizvodnja toplote in električne energije: mikroturbina

Izgorevanje ut. lesa.AVI


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)

KURILNA VREDNOST: 22 -24 MJ/kg

Utekočinjen les - gorivo


Dovod goriva

Izgorevalna

komora

Plinska turbina

Predgrevanje, filtracija

Velikost kapljic, uparevanje, čas

zadrževanja

Pepel, korozivni plini?

UTEKOČINJENA BIOMASA – TEKOČE GORIVO ZA

KOGENERACIJO TOPLOTE IN EL. ENERGIJE


INOVATIVNA KONSTRUKCIJA ZA TESTIRANJE NA

STROJNI FAKULTETI UNIVERZE V LJUBLJANI ...

zgorevalna komora

kompresor - turbina

Dovod goriva

rekuperator loputa za intenziteto

rekuperacije

Hladilni sistem

Gorivni sistem


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:

Utek. naftni plin: 1.18 EUR

utek. zemeljski plin 0.80 EUR

Kurilno olje: 1.41 EUR

Bencin 95: 1.71 EUR

Utekočinjena biomasa: 0.98 EUR


• 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.

Zaključki


Zahvale:

- Kemijskemu inštitutu Ljubljana za vso podporo pri

raziskavah.

- Strojni fakulteti Univerze v Ljubljani.

- GGP za njihovo materialno in finančno pomoč.

- Biotehniški fakulteti Univerze v Ljubljani, Oddelku za

lesarstvo.

- Melaminu Kočevje

- Centru odličnosti PoliMaT

Documents

ODPADEK IZ BIOMASE KOT SUROVINA IN ENERGETSKI VIR · polihidroksi alkoholi in kislinskega katalizatorja. Utekočinjanje pretvori les v surovino za sintezo novih, okolju prijaznih