Kinetics of the Catalytic Thermal Degradation of Sugarcane Residual Biomass Over Rh-Pt/CeO2-SiO2 for Syngas Production

Abstract

Thermochemical processes for biomass conversion are promising to produce renewable hydrogen-rich syngas. In the present study, model fitting methods were used to propose thermal degradation kinetics during catalytic and non-catalytic pyrolysis (in N2) and combustion (in synthetic air) of sugarcane residual biomass. Catalytic processes were performed over a Rh-Pt/CeO2-SiO2 catalyst and the models were proposed based on the Thermogravimetric (TG) analysis, TG coupled to Fourier Transformed Infrared Spectrometry (TG-FTIR) and TG coupled to mass spectrometry (TG-MS). Results showed three different degradation stages and a catalyst effect on product distribution. In pyrolysis, Rh-Pt/CeO2-SiO2 catalyst promoted reforming reactions which increased the presence of H2. Meanwhile, during catalytic combustion, oxidation of the carbon and hydrogen present in biomass favored the release of H2O, CO and CO2. Furthermore, the catalyst decreased the overall activation energies of pyrolysis and combustion from 120.9 and 154.9 kJ mol−1 to 107.0 and 138.0 kJ mol−1, respectively. Considering the positive effect of the Rh-Pt/CeO2-SiO2 catalyst during pyrolysis of sugarcane residual biomass, it could be considered as a potential catalyst to improve the thermal degradation of biomass for syngas production. Moreover, the proposed kinetic parameters are useful to design an appropriate thermochemical unit for H2-rich syngas production as a non-conventional energy technology.

Los procesos termoquímicos para la conversión de biomasa prometen producir gas de síntesis renovable rico en hidrógeno. En el presente estudio, se utilizaron métodos de ajuste de modelos para proponer la cinética de degradación térmica durante la pirólisis catalítica y no catalítica (en N2) y la combustión (en aire sintético) de biomasa residual de caña de azúcar. Los procesos catalíticos se realizaron sobre un catalizador Rh-Pt/CeO2-SiO2 y los modelos se propusieron con base en el análisis Termogravimétrico (TG), TG acoplado a Espectrometría Infrarroja Transformada de Fourier (TG-FTIR) y TG acoplado a espectrometría de masas (TG-MS ). Los resultados mostraron tres etapas de degradación diferentes y un efecto catalizador en la distribución del producto. En la pirólisis, el catalizador Rh-Pt/CeO2-SiO2 promovió reacciones de reformado que aumentaron la presencia de H2. Por su parte, durante la combustión catalítica, la oxidación del carbono y el hidrógeno presentes en la biomasa favoreció la liberación de H2O, CO y CO2. Además, el catalizador disminuyó las energías de activación generales de pirólisis y combustión de 120,9 y 154,9 kJ mol-1 a ​​107,0 y 138,0 kJ mol-1, respectivamente. Considerando el efecto positivo del catalizador Rh-Pt/CeO2-SiO2 durante la pirólisis de la biomasa residual de caña de azúcar, podría considerarse como un catalizador potencial para mejorar la degradación térmica de la biomasa para la producción de gas de síntesis. Además, los parámetros cinéticos propuestos son útiles para diseñar una unidad termoquímica apropiada para la producción de gas de síntesis rico en H2 como tecnología energética no convencional.