Lignocellulosic biomass pretreatment with green ionic liquid-based solvents and applications

การปรับสภาพชีวมวลลิกโนเซลลูโลสขั้นต้นด้วยสารละลายของเหลวไอออนิกสีเขียวและการประยุกต์ใช้งาน

Name: Sanphawat Phromphithak

LCSH: Lignocellulose

LCSH: Biomass energy

LCSH: Fossil fuels

Abstract: Fossil fuels have served as the primary source of energy for an extended period, despite the considerable environmental risks such as greenhouse gas emissions. The pursuit of renewable alternatives to fossil materials has led to the study of producing energy and fuel from lignocellulosic biomass. However, the efficiency of converting lignocellulosic biomass is limited due to the network of lignin-carbohydrate complexes acting as a barrier to efficient biomass conversion. To overcome the limitation and enhance the efficiency of converting lignocellulosic biomass, these components can be improved through fractionation and delignification. The pretreatment of biomass with ionic liquid-based solvents has proven to be effective in achieving these results. Machine learning (ML) can be used as a tool for understanding the biomass pretreatment with ionic liquid-based solvents. The remaining solid residue resulting from the extraction of hemicellulose and lignin led to an increase in cellulose content as known as cellulose-rich material (CRM). Machine learning algorithms were employed to predict CRM properties, particularly cellulose enrichment factor (CEF) and solid recovery (SR), utilizing 23-feature datasets that include biomass characteristics, operating conditions, solvent system identities, and catalyst. The random forest algorithm demonstrated the highest prediction accuracy. The important features in making predictions were primarily related to biomass characteristics and solvent treatment operating conditions. One- and two-way partial dependence plots were used to elucidate the multi-dimensional relationships among the most important features. The lignocellulosic biomass was employed to investigate the effects of reaction temperatures (60–150 °C), residence times (6–15 h), molar ratio of ionic liquid-based solvents with choline chloride to glycerol (1:0.5-4), biomass type (corncob, giant juncao grass, and inflorescence hemp), ionic liquid types in systems (choline chloride, choline acetate, and choline hydroxide), and pretreatment methods (conventional heating and microwave-irradiation heating). The results demonstrated the effective extraction of hemicellulose and lignin from raw biomass resulting in the production of the CRMs. These results in each variant led to a better understanding of lignocellulosic biomass pretreatment with ionic liquid-based solvents. The microwave-irradiation heating exhibits high performance in lignocellulosic fractionation compared to conventional heating. Additionally, the process allows for the optional preservation of hemicellulose at lower temperature or its extraction at higher temperature. Corncob, a common agricultural biomass waste found in many countries, was selected as a representative of typical lignocellulosic biomass. It was chosen as precursor materials for producing absorbents for capturing CO2. The corncob was employed to produce CRMs, which then underwent hydrothermal carbonization to produce hydrochars. The corncob, CRMs, and hydrochars were utilized as feedstock to produce activated chars. The feedstock’s activated chars and activated chars were then analyzed to evaluate their characteristic properties. Furthermore, the activated chars were tested for CO2 adsorption capacity to demonstrate their efficiency. The results indicated that, the pretreatment of biomass with an ionic liquid-based solvent is effective in achieving delignification, while hydrothermal carbonization has the potential to further fractionation. The activated feedstock exhibited differences in morphology, thermal stability, crystallinity of cellulose, and chemical functional groups. These differences in the feedstock resulted in specific characteristics in each activated char. The pretreatments and hydrothermal carbonization had an influence on the morphology of the activated chars. These processes led to an increase in specific surface area and changes in pore structure parameters. Overall, the activated chars produced through pretreatments and/or hydrothermal carbonization showed an enhanced CO2 adsorption capacity. The highest CO2 adsorption capacity, approximately 78 mg CO2/g char, was achieved through a combination of ionic liquid-based solvents pretreatment and hydrothermal carbonization.

Abstract: เชื้อเพลิงฟอสซิลทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานหลักของโลกมาอย่างยาวนาน แต่อย่างไรก็ตามใน ปัจจุบันมีความกังวลเกี่ยวกับการปลดปล่อยก๊าซเรือนในปริมาณที่มากออกมา ซึ่งส่งผลกระทบต่อ สิ่งแวดล้อม การศึกษาหาพลังงานทางเลือกจากชีวมวล เพื่อลดการใช้เชื้อเพลิงจากฟอสซิลได้รับความ สนใจเป็นอย่างมาก แต่อย่างไรก็ตามประสิทธิภาพในการแปลงชีวมวลนั้นมีจำกัด เนื่องจากโครงสร้าง ของ lignin-carbobydrate complezes ในชีวมวลนั้นทำหน้าที่เสมือนเกราะป้องกันการแปลงแปลงของของ ตัวชีวมวล เพื่อทำลายข้อจำกัดประสิทธิภาพในการแปลงชีวมวล การแยกลิกนินและการแยกลิกโน เซลลูโลสออกจากกันจึงเข้ามามีบทบาทในกระบวนการแปลงชีวมวล โดยการปรับสภาพชีวมวล เบื้องต้นด้วยสารละลายของเหลวไอออนิกสามารถแยกลิกนินและแยกลิกโนเซลลูโลฮออกจากกัน ได้ การเรียนรู้ของเครื่องจักรสามารถใช้เป็นเครื่องมือเพื่อทำความเข้าในในกระบวนการปรับสภาพ ชีวมวลเบื้องต้นด้วยสารละลายของเหลวไอออนิกให้มากขึ้นได้ โดยของแข็งที่ได้รับจากกระบวนการ ดังกล่าวมักจะมีการลดลงของเสมิเซลลูโลสและลิกนิน ส่งผลให้มีสัดส่วนของเซลลูโลสมากขึ้น ซึ่ง รู้จักกันในชื่อ รักคู่ที่ผมในไปด้วยาขอดูไลย โดยอัลกอริทึมจากการเรียนรู้ของเครื่องจักรสามารถใช้พยาการณ์ คุณสมบัติของวัสดุที่อุดมไปด้วยเซลลูโลสให้ในรูปแบบของกับเซ็การพื้นขึ้นขึ้นของตัดส่วน เซลอูโลสในวัสดุที่อุดมไปด้วยเซลลูโลส และค่าของของแข็งที่ได้กลับคืน โดยใช้ชุดข้อมูล 23 คุณลักษณะ ที่ซึ่งสามารถแบ่งเป็นกลุ่มใหญ่ๆ ได้ดังนี้ คุณลักษณะของชีวมวลลิกโนเซลลูโลส สภาวะที่ทำการปรับ สภาพเบื้องต้น ระบบสารละลายที่ใช้และตัวเร่งปฏิกิริยา อัลกอริทึมป่าสุม จากการเรียนรู้ของ เครื่องจักรแสดงให้เห็นถึงความแม่นยำในการพยากรณ์สูงสุด กลุ่มคุณลักษณะที่สำคัญในการพยากรณ์ ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับคุณลักษณะของชีวมวลและสภาวะที่ทำการปรับสภาพเบื้องต้น one- and two~way partial dependence plots สามารถนำมาใช้เพื่ออธิบายความสัมพันธ์หลายมิติระหว่างคุณลักษณะ เพื่อให้เข้าใจความสัมพันธ์ของคุณลักษณะที่สำคัญมากขึ้น สารประกอบชีวมวลลิกโนเซลลูโลสถูกนำมาศึกษาอิทฺธิพลของตัวแปรต่างๆ ที่มีผลต่อการปรับ สภาพชีวมวลเบื้องต้นด้วยสารละลายของเหลวไอออนิก โดยมีตัวแปรที่สนใจดังนี้ อุณหภูมิในช่วง 60-150 %C เวลาในการปรับสภาพเบื้องต้น 6-15 ชั่วโมง และ สารละลายผสมที่สภาวะอุณหภูมิต่ำของ อนุพันธ์กลุ่ม choline กับกลีเซอรอลด้วยอัตราส่วนโมล 1:0.5 ถึง 3 ชนิดของชีวมวลอย่าง ซังข้าวโพด หญ้าเนเปียร์ยักษ์ และช่อดอกกัญชง อิทธิพลของอนุพันธ์ของ choline อื่นๆ อย่าง choline chloride (ChCI), choline acetate (ChOAc), และ choline hydroxide (ChOH) เเละ วิธีการให้ความร้อนด้วยคลื่น ไมโครเวฟเทียบกับการให้ความร้อนแบบทั่วไป โดยผลการทดลองพบว่าสามารถสกัดเฮมิเซลลูโลส และลิกนินได้อย่างมีประสิทธิภาพ จนได้รับวัสดุที่อุดมไปด้วยเซลลูโลส ผลของการเปลี่ยนแปลง สัดส่วนชีวมวลลิกโนเซลลูโลสมรการทดลองช่วยให้เข้าใจกระบวนการปรับสภาพชีวมวลเบื้องต้น ด้วยสารละลายของเหลวไอออนิกได้ยิ่งขึ้น การให้ความร้อนด้วยคลื่นไม่โครเวฟแสดงประสิทธิภาพ สูง นอกจากนี้ยังสามารถเลือกสภาวะการเก็บรักษาหรือสกัดออกของเฮมิเซลลูโลสได้อีกด้วย โดยเฮมิ เซลลูโลสจะยังคงเก็บรักษาไว้ใด้ที่คุณหภูมิต่ำและจะจะถูกสกัดออกมาที่อุณหภูมิสูง ซังข้าวโพคเป็นวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรที่พบได้ทั่วไป ซึ่งสามารถใช้เป็นวัตถุดิบในการ ผลิตเป็นถ่านกัมมันต์ที่สามารถดักจับ CO2 ได้ โดยซังข้าวโพดถูกทำการปรับภาพเบื้องต้นด้วย สารละลายของเหลวไอออนิกแล้วนำไปผ่านกระบวนการไฮโครเทอร์มอลคาร์บอไนเซชัน จากนั้นทั้ง ซังข้าวโพด วัสดุที่อุดมไปด้วยเซลลูโลส และ ถ่านไฮโดร ถูกนำมาเป็นวัตถุดิบในการผลิตถ่านกัมมันต์ โดยวัตถุดิบที่ใช้ในการผลิตถ่านกัมมันต์และถ่านกัมมันต์จะได้รับการวิเคราะห์หาคุณสมบัติต่างๆ นอกจากนี้ถ่านถ่านกัมมันต์จะได้รับการตรวจสอบหาความจุในการดูดซับ CO2 อีกด้วย ผลจากการทดลองพบว่าชังข้าวโพด วัสดุที่อุดมไปด้วยเซลกูโลสและอ่านไฮโดรมีลักษณะทางสัณฐานวิทยา เสถียรภาพทางความร้อน ความเป็นผลึกบนตัวเซลลูโลสและหมู่ฟังก์ชันทางเคมีที่แตกต่างกัน ซึ่ง ส่งผลต่อคุณลักษณะของถ่านกัมมันต์ จากการวิเคราะห์ถ่านกัมมันต์พบว่ามี ลักษณะทางสัญฐานวิทยา พื้นที่ผิวจำเพาะ ลักษณะของรูพรุนที่ต่างกันไปในแต่ละวัตถุดิบ ผลของความจุในการดูดชับ CO2 ใน ภาพรวมพบว่า วัสดุที่ได้รับการปรับสภาพเบื้องต้นและ/หรือผ่านกระบวนการไฮโครเทอร์มอลคาร์บอ ไนเซชันจะมีค่าความจุในการดูดชับ CO, เพิ่มขึ้น ค่าความในการดูดชับ CO, สูงสุดมาจากถ่านกัมมันต์ ที่ได้รับการปรับสภาพเบื้องต้นด้วยสารละลายผสมที่สภาวะอุณหภูมิต่ำและผ่านกระบวนการไฮโดร เทอร์มอลคาร์บอไนเซชัน ที่ประมาณ 78 mg CO, ต่อกรัมของถ่านกัมมันต์ ซึ่งแสดงถึงความสำเร็จใน การปรับสภาพเบื้องต้นข้องชีวมวลก่อนนำไปใช้ในกระบวนการต่อไป

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Nakorn Tippayawong

Role: Advisor

Name: Konlayutt Punyawudho

Role: Advisor

Name: Suparin Chaiklangmuang

Role: Advisor

Created: 2024

Modified: 2568-07-21

Issued: 2568-07-21

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

tha

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Energy Engineering

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	630651002.pdf	1.83 MB

ใช้เวลา

0.022819 วินาที