The last 200 years saw an increased consumption of fossil fuel, which until now still remains the dominant energy source globally. Overconsumption of fossil fuel does not only raises a big concern of depletion, but also causes a big issue of environmental pollution and global warming. Moreover, over dependence on fossil fuel for economic growth poses a threat to energy and national security for most nations as well because fossil fuel is an unequal distributed resource and mainly concentrated on a few specific regions. Turning to renewable energy sources (e.g., biomass) or household waste for energy production and consumption helps address these concerns in an environmentally friendly and sustainable manner. Among energy production techniques, pyrolysis process raises a worldwide interest from researchers and industry as it is a simple but promising technique capable of producing transport fuels in a large scale level.
The aim of this work is to obtain high quality fuels derived from waste resources such as biomass or plastic waste, which are usually deposited, utilizing a pyrolysis process. To achieve this goal, a detailed understanding of different pyrolysis oil systems is required. Additionally, for a better understanding of the conversion process, a sophisticated analytical method needs to be developed that allows analyzing the complex chemical mixtures. The different types of compounds exhibit different properties, which stresses its special importance.
A wide range of oxygen containing compounds can be detected for biofuel derived from biomass or lignin pyrolysis process by using high resolution mass spectrometry (HRMS) in combination with complementary atmospheric pressure ionization (API) technique, indicating the low quality of initial produced bio-fuel. This can be upgraded through a catalytic hydrotreating process to produce petro-like fuel, with the most abundant class detected as hydrocarbon. In comparison to biomass-based materials, carbonaceous plastic waste has a higher heating value, some of which are pure hydrocarbon plastics (e.g., polyethylene, polypropylene, polystyrene). A highly efficient pyrolysis transformation of plastics to fuels can be obtained not only for single plastic, but for complex plastic mixtures as well. The reaction mechanism has been studied by using gas chromatography (GC)-electron ionization (EI)-Orbitrap for detailed analysis. Semi-quantification of initial plastic pyrolysis oil reveals products with a wide carbon atoms distribution, belonging to a mixture of gasoline, diesel and wax range compounds. A lab scale distillation process has been successfully introduced to separate pyrolysis plastic fuels for different purpose of usage.
Der Verbrauch an fossilen Brennstoffen ist in den letzten 200 Jahren stetig zugenommen. Nach wie vor sind fossile Brennstoffe weltweit die dominierende Energiequelle. Deren übermäßige Verbrauch wirft die große Sorge nach deren Erschöpfung auf und trägt zur Umweltverschmutzung sowie der globalen Erwärmung bei. Darüber hinaus stellt die übermäßige Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen auch für die meisten Nationen eine Bedrohung der Energieversorgung und somit der nationalen Sicherheit dar, da fossile Brennstoffe eine ungleichmäßig verteilte Ressource sind und sich hauptsächlich auf einige wenige bestimmte Regionen konzentrieren. Die Nutzung erneuerbarer Energiequellen (z.B. Biomasse) oder von Hausmüll für die Energieerzeugung und den Energieverbrauch trägt dazu bei, diese Probleme auf umweltfreundliche und nachhaltige Weise anzugehen. Unter den Energieerzeugungstechniken, Pyrolyse weckt weltweites Interesse bei Forschern und der Industrie, da sie eine einfach, aber vielversprechende Technik ist, mit der Verkehrskraftstoffe in großem Maßstab hergestellt werden können. Ziel dieser Arbeit ist die Gewinnung hochwertiger Brennstoffe aus Abfällen mittels Pyrolyse, z.B. Biomasse und Plastikmüll, die in der Regel deponiert werden. Um dieses Ziel zu erreichen, erfordert dies ein detailliertes Verständnis der verschiedenen Pyrolyseölsysteme. Für ein besseres Verständnis des Umwandlungsprozesses muss eine anspruchsvolle Analysemethode entwickelt werden, die das Verstehen der komplexen chemischen Umwandlung ermöglicht. Besonders wichtig ist hierbei, dass die verschiedenen Arten von Verbindungen unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Für Biobrennstoff, der aus Biomasse (Lignin) mittels Pyrolyse erzeugt wird, lässt sich mit Hilfe der hochauflösenden Massenspektrometrie (HRMS) in Kombination mit komplementären Ionisationstechniken bei Atmosphärendruck (API) ein hoher Anteil von sauerstoffhaltigen Verbindungen nachweisen, was auf die geringe Qualität des erzeugten Biobrennstoffs hindeutet. Von diesem ursprünglichen Biobrennstoff kann erdölartiger Brennstoff durch ein katalytisches Hydrotreating-Verfahren hergestellt werden, das überwiegend aus Kohlenwasserstoffen besteht. Im Vergleich zu Materialien auf Biomassebasis hat kohlenstoffhaltiger Plastikmüll einen höheren Brennwert, von dem einige rein Kohlenwasserstoff basierte Kunststoffe sind (z.B. Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol). Eine hocheffiziente Umwandlung von Plastikmüll in Brennstoffe durch Pyrolyse kann nicht nur für einzelne Kunststoffe, sondern auch für komplexe Kunststoffmischungen erreicht werden. Der Reaktionsmechanismus wurde durch die Strukturstudie unter Verwendung von Gaschromatographie (GC)-Elektronenstoßionisation (EI)-Orbitrap aufgeklärt. Die SemiQuantifizierung des ursprünglichen Plastik-Pyrolyseöls zeigt, dass die Produkte mit einer breiten Verteilung von Kohlenwasserstoffen zu einem Gemisch aus Verbindungen des Benzin-, Diesel- und Wachsbereichs gehören. Ein Destillationsverfahren im Labormaßstab wurde eingeführt, um Plastik-Pyrolyseöl für unterschiedliche Verwendungszwecke zu trennen.
