Characterization of the solid impurity particles affecting bio-oil purification
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2022-08-23
Department
Major/Subject
Biomass Refining
Mcode
CHEM3021
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
112
Series
Abstract
One solution to reduce the dependence on fossil raw materials is to replace them by bio-oils like waste cooking oils, animal fats or palm oil mill effluents. They can be utilized as feedstock e.g. for renewable energy, traffic fuels or chemical and polymer products, with no direct competition with food production. Increasing competition in the fat waste and residue market is driving up raw material prices and in order to maintain an adequate feedstock pool, it is necessary to source affordable raw materials with less competition, i.e. lower quality waste and residue streams. With lower quality feedstocks, more focus has to be invested on their pretreatment as they can contain high amounts of both soluble and solid impurities. As a part of multiple processing steps, suspended solids are most commonly re-moved by filtration in oil pretreatment. During processing steps, particle characteristics of the suspended solids can be studied by particle size analysers. Due to the lack of previous particle size analysis studies of bio-oils, this Master’s thesis aimed to find suitable particle characterization methods for bio-oils. Large number of methods were scouted in the literature part, of which the suitability of three methods was experimentally tested. In addition to inline process microscope from Pixact, inline measurement method FBRM was also tested and their results were compared to the results obtained with an optical microscope. The Pixact particle analyser proved to be an appropriate equipment for the purpose, but lacked the sufficient resolution to characterize < 1 µm particles. Therefore, further particle studies of < 1 µm particle analysis is required, as the results suggested that some samples with colloidal nature seemed to contain particles smaller than 1 µm. With the Pixact particle analyser, the effect of different treatment steps on the particle parameters was studied. The experimental results of feed study indicated that several feed groups had similar particle characteristics, namely average particle sizes and particle appearance. In feed drying experiments, a clear tendency in particle behaviour was discovered within the feed groups, whereas the behaviour direction between different feed groups was not congruent. In addition, common crystallization behaviour of citric acid was also confirmed with Pixact device, and the equipment’s ability to convey information about the crystallization of citric acid was ascertained. Additionally, the study on the particle effect on filtration was limited by the resolution of the Pixact device, but according to the hypothesis drawn, the small size of the particles (< 1 µm class) and the compressibility of the particles may be factors that causes challenges in the filtration of bio-oils. The effect of particle shape and size distribution width on filtration was deemed limited. The limited amount of successful tests prevented further verification of the hypothesis and consequently, conclusions should be seen as preliminary.Yksi ratkaisu riippuvuuden vähentämiseksi fossiilisista raaka-aineista on korvata ne bioöljyillä, kuten jäteruokaöljyillä, eläinrasvoilla tai palmuöljytehtaiden jätevesillä. Niitä voidaan käyttää raaka-aineena mm. uusiutuvan energian, liikenteen polttoaineiden tai kemiallisten ja polymeerituotteiden osalta, joilla ei ole suoraa kilpailua elintarviketuotannon kanssa. Lisääntyvä kilpailu rasvajäte- ja jäännösmarkkinoilla nostaa raaka-aineiden hintoja ja riittävän raaka-ainevarannon ylläpitämiseksi on hankittava kohtuuhintaisia raaka-aineita, joilla on vähemmän kilpailua, eli heikkolaatuisempia jäte- ja jäännösvirtoja. Heikkolaatuisten raaka-aineiden kohdalla niiden esikäsittelyyn on panostettava enemmän, koska ne voivat sisältää suuria määriä sekä liukenevia että kiinteitä epäpuhtauksia. Kiintoaine poistetaan jäteöljyjen esikäsittelyssä useimmiten suodattamalla. Prosessointivaiheiden aikana kiintoaineiden partikkeliominaisuuksia voidaan tutkia partikkelien karakterisointimenetelmien avulla. Aiemman kirjallisuuden ollessa puutteellista bioöljyjen partikkelikokoanalyysimenetelmistä, tässä diplomityössä pyrittiin löytämään sopivia partikkelien karakterisointimenetelmiä bioöljyille. Kirjallisuusosassa kartoitettiin suuri joukko menetelmiä, joista kolmen menetelmän soveltuvuutta testattiin kokeellisesti. Tulosten perusteella on saatavilla useita partikkelikokoanalysaattoreita, jotka eivät vaatineet näytteen esikäsittelyä ja joihin bioöljynäytteiden tumma väri ei vaikuta. Pixact-partikkelianalysaattori osoittautui tähän tarkoitukseen käteväksi laitteistoksi, mutta siinä on puutteellinen resoluutio < 1 µm partikkelien karakterisoimiseen. < 1 µm partikkelianalyysin lisätutkimuksia tarvitaan, koska saadut tulokset viittaavat siihen, että jotkin raaka-ainenäytteet sisältävät jopa < 1 µm partikkeleita. Pixact-partikkelianalysaattorilla tutkittiin eri käsittelyvaiheiden vaikutusta partikkeliparametreihin. Raaka-ainetutkimuksen kokeelliset tulokset osoittivat, että useilla raaka-aineryhmillä oli samanlaiset partikkeliominaisuudet, erityisesti keskimääräiset partikkelikoot ja partikkelien ulkomuoto. Raaka-aineiden kuivauskokeissa havaittiin selkeä trendi partikkelien käyttäytymisessä raaka-aineryhmien sisällä, kun taas käyttäytymissuunta eri raaka-aineryhmien välillä ei ollut yhteneväinen. Lisäksi Pixact-laitteella varmistettiin sitruunahapon noudattavan yleistä kiteytyskäyttäytymistä sekä varmistettiin laitteiston kyky välittää tietoa sitruunahapon kiteytymisestä. Lisäksi tutkimusta partikkelien vaikutuksesta suodatukseen rajoitti Pixact-laitteen resoluutio, mutta tehdyn hypoteesin mukaan partikkelien pieni koko (luokka < 1 µm) ja niiden puristuvuus voivat olla merkitseviä, bioöljyjen suodatusta hankaloittavia tekijöitä. Partikkelien muodon ja kokojakauman leveyden vaikutusta suodatukseen pidettiin rajoitettuna. Onnistuneiden testien rajallinen määrä esti hypoteesin vahvistamisen, ja näin ollen johtopäätökset tulee nähdä alustavina.Description
Supervisor
Louhi-Kultanen, MarjattaThesis advisor
Wahlström, RonnyKulomaa, Tuomas
Keywords
particle size analysis, PSD, bio-oils, filtration, suspended solids