Climate change is one of the biggest global threats of the 21st century. Fossil fuels constitute by far the most important energy source for transportation and the different governments are starting to take action to promote the use of cleaner fuels. Biomass-derived fuels are a promising alternative for diversifying fuel sources, reducing fossil fuel dependency and abating greenhouse gas emissions. The research interest has quickly shifted from first-generation biofuels, obtained from food commodities, to second-generation biofuels, produced from non-food resources. The subject of this PhD thesis is the production of second-generation biofuels via thermochemical conversion: biomass is first gasified to synthesis gas, a mixture of mainly H2 and CO; synthesis gas can then be catalytically converted to different fuels. This work summarizes six publications, which are focused on the synthesis gas conversion step. Two processes are principally examined in this summary. The first part of the PhD thesis is devoted to the synthesis of ethanol and higher alcohols, which can be used as fuel or fuel additives. The microemulsion technique is applied in the synthesis of molybdenum-based catalysts, achieving a yield enhancement. Methanol cofeeding is also studied as a way of boosting the production of longer alcohols, but a negative effect is obtained: the main outcome of methanol addition is an increase in methane production. The second part of the PhD thesis addresses wax hydroconversion, an essential upgrading step in the production of middle-distillate fuels via Fischer-Tropsch. Bifunctional catalysts consisting of noble metals supported on silica-alumina are considered. The deactivation of a platinum-based catalyst is investigated, sintering and coking being the main causes of decay. A comparison of platinum and palladium as catalyst metal function is also carried out, obtaining a fairly different catalytic performance of the materials in terms of conversion and selectivity, very likely due to dissimilar hydrogenation power of the metals. Finally, a kinetic model based on the Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson formalism is proposed to describe the hydroconversion reactions, attaining a good fitting of the experimental data. / Klimatförändringarna är ett av de största globala hoten under det tjugoförsta århundradet. Fossila bränslen utgör den helt dominerande energikällan för transporter och många länder börjar stödja användning av renare bränslen. Bränslen baserade på biomassa är ett lovande alternativ för att diversifiera råvarorna, reducera beroendet av fossila råvaror och undvika växthusgaser. Forskningsintresset har snabbt skiftat från första generationens biobränslen som erhölls från mat-råvaror till andra generationens biobränslen producerade från icke ätbara-råvaror. Ämnet för denna doktorsavhandling är produktion av andra generationens biobränslen via termokemisk omvandling. Biomassa förgasas först till syntesgas, en blandning av i huvudsak vätgas och kolmoxid; syntesgasen kan sedan katalytiskt omvandlas till olika bränslen. Detta arbete sammanfattar sex publikationer som fokuserar på steget för syntesgasomvandling. Två processer är i huvudsak undersökta i denna sammanfattning. Den första delen av doktorsavhandlingen ägnas åt syntes av etanol och högre alkoholer som kan användas som bränsle eller bränsletillsatser. Mikroemulsionstekniken har använts vid framställningen av molybden-baserade katalysatorer, vilket gav en höjning av utbytet. Tillsatsen av metanol har också studerats som ett sätt att försöka få en högre koncentration av högre alkoholer, men en negativ effekt erhölls: huvudeffekten av metanoltillsatsen är en ökad metanproduktion. Den andra delen av doktorsavhandlingen handlar om vätebehandling av vaxer som ett viktigt upparbetningssteg vid framställning av mellandestillat från Fischer-Tropsch processen. Bifunktionella katalysatorer som består av ädelmetaller deponerade på silica-alumina valdes. Deaktiveringen av en platinabaserad katalysator undersöktes. Sintring och koksning var huvudorsakerna till deaktiveringen. En jämförelse mellan platina och palladium som funktionella metaller genomfördes också med resultatet att det var en ganska stor skillnad mellan materialens katalytiska egenskaper vilket gav olika omsättning och selektivitet, mycket sannolikt beroende på olika reaktionsmönster hos metallerna vid vätebehandling. Slutligen föreslås en kinetisk modell baserad på en Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson modell för att beskriva reaktionerna vid vätebehandling. Denna modell ger en god anpassning till experimentella data. / El cambio climático es una de las mayores amenazas del siglo XXI. Los combustibles fósiles constituyen actualmente la fuente de energía más importante para el transporte, por lo que los diferentes gobiernos están empezando a tomar medidas para promover el uso de combustibles más limpios. Los combustibles derivados de biomasa son una alternativa prometedora para diversificar las fuentes de energía, reducir la dependencia de los combustibles fósiles y disminuir las emisiones de efecto invernadero. Los esfuerzos de los investigadores se han dirigido en los últimos años a los biocombustibles de segunda generación, producidos a partir de recursos no alimenticios. El tema de esta tesis de doctorado es la producción de biocombustibles de segunda generación mediante conversión termoquímica: en primer lugar, la biomasa se gasifica y convierte en gas de síntesis, una mezcla formada mayoritariamente por hidrógeno y monóxido de carbono; a continuación, el gas de síntesis puede transformarse en diversos biocombustibles. Este trabajo resume seis publicaciones, centradas en la etapa de conversión del gas de síntesis. Dos procesos se estudian con mayor detalle. En la primera parte de la tesis se investiga la producción de etanol y alcoholes largos, que pueden ser usados como combustible o como aditivos para combustible. La técnica de microemulsión se aplica en la síntesis de catalizadores basados en molibdeno, consiguiendo un incremento del rendimiento. Además, se introduce metanol en el sistema de reacción para intentar aumentar la producción de alcoholes más largos, pero los efectos obtenidos son negativos: la principal consecuencia es el incremento de la producción de metano. La segunda parte de la tesis estudia la hidroconversión de cera, una etapa esencial en la producción de destilados medios mediante Fischer-Tropsch. Los catalizadores estudiados son bifuncionales y consisten en metales nobles soportados en sílice-alúmina. La desactivación de un catalizador de platino se investiga, siendo la sinterización y la coquización las principales causas del problema. El uso de platino y paladio como componente metálico se compara, obteniendo resultados catalíticos bastante diferentes, tanto en conversión como en selectividad, probablemente debido a su diferente capacidad de hidrogenación. Finalmente, se propone un modelo cinético, basado en el formalismo de Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson, que consigue un ajuste satisfactorio de los datos experimentales. / <p>QC 20160308</p>

Synthetic fuels produced using the Fischer-Tropsch technology will play an important role in the future of the transportation sector. The Fischer-Tropsch synthesis (FTS) allows converting synthesis gas (CO + H2) into fuels of outstanding quality. The synthesis gas can be obtained from different carbon sources: natural gas, coal and biomass. In order to maximize the yield of middle distillates, the process is carried out in two main steps: the FT-synthesis that produces long-chain hydrocarbons (waxes) and a hydrocracking step, to selectively convert the waxes into fuels. Diesel produced by this process is characterized by excellent combustion properties and reduced harmful tailpipe emissions compared to conventional diesel. Due to the growing interest in synthetic fuel production, from the industry and the academia, and to the peculiar characteristics of the Fischer-Tropsch products, research in hydrocracking has received renewed attention. Catalysts for the hydrocracking of long-chain paraffins have been the subject of the present work, which is the summary of four scientific publications. Noble metals supported on acid carriers have been compared, especially for what regards the mechanisms through which hydrocracking proceeds. The catalysts were synthesized and characterized by various techniques, including N2 physisorption, H2 chemisorption, TEM, pyridine adsorption FTIR, ammonia TPD, etc. It was shown that catalytic activity is mainly dependent on the acid support used; that selectivity is strongly dependent on conversion, high conversion favoring highly branched cracking products. Two main reaction routes were observed: bifunctional hydrocracking and hydrogenolytic cracking. Platinum-containing catalysts showed high selectivity towards the latter, while palladium/silica-alumina behaved as pure bifunctional catalysts. Catalyst deactivation was investigated and initial sintering of metal particles was observed. Coking was also a cause of deactivation. Formation of coke deposits was highly dependent on the metal loading of the catalysts. Metal loading also influenced catalyst selectivity, especially in the case of platinum/silica-alumina catalysts. Monofunctional hydrogenolysis on the platinum particles, superimposed to the bifunctional mechanism was observed. This route increased selectivity towards linear hydrocarbons and methane, with increasing amounts of platinum. The specific rate of hydrogenolysis was constant for different loadings of platinum on the same acid silica-alumina support. Using a different, less acid, support negatively affected the hydrogenolytic activity of the platinum catalytic sites. It was concluded that metal-support interactions might play an important role in the catalytic properties of platinum surfaces. This work has contributed to increasing the knowledge about hydrocracking of long-chain alkanes and pointed out some features that might have practical interest in the application of this technology to synthetic-fuel production. / Syntetiska drivmedel tillverkade genom Fischer-Tropsch teknologin kommer i framtiden att ha en betydande roll för transportsektorn. Fischer-Tropsch syntesen (FTS) möjliggör omvandling av syntesgas (CO + H2) till högkvalitativa bränslen. Syntesgasen kan erhållas från olika kolkällor: naturgas, kol och biomassa. För att maximera utbytet av medeldestillat, utförs processen i två huvudsteg: FT-syntes som producerar långa kolväten (vaxer) och ett hydrokrackning steg, för att selektivt omvandla vaxerna till bränslen. Diesel som produceras med denna process kännetecknas av utmärkta förbränningsegenskaper och ger upphov till minskade utsläpp av skadliga ämnen jämfört med vanlig diesel. På grund av det växande intresset för syntetiska bränslen, både från industrin och den akademiska världen, och av de speciella egenskaperna hos Fischer-Tropsch-produkter, har forskningen i vätekrackning fått förnyad uppmärksamhet. Ämnet för detta arbete, som är en sammanfattning av fyra vetenskapliga publikationer, är katalysatorer för hydrokrackning av långkedjiga paraffiner. Ädelmetaller uppburna på sura bärare har jämförts, särskilt vad gäller vätekrackningsmekanismer. Katalysatorerna preparerades och karaktäriserades med hjälp av olika tekniker, bland andra N2 fysisorption, H2 kemisorption, TEM, pyridin adsorption FTIR, ammoniak TPD, etc. Det visade sig att den katalytiska aktiviteten är främst beroende av surheten hos bärarmaterialet, att selektivitet är starkt beroende av omsättningen, där hög omsättning gynnar flergrenade krackningsprodukter. Två huvudsakliga reaktionsvägar observerades: bifunktionell vätekrackning och hydrogenolytisk crackning. Platinakatalysatorer visade hög selektivitet mot det senare, medan katalysatorer med palladium på kiseloxid-aluminiumoxid uppträdde som rena bifunktionella katalysatorer. Katalysatordeaktivering undersöktes och sintring av metallpartiklar observerades. Koksning var också en orsak till deaktivering. Koksbildning var starkt beroende av metallhalten i katalysatorerna. Metallhalten påverkade också selektivitet, särskilt för platina-kiseloxid-aluminiumoxidkatalysatorer. Monofunktionellt hydrogenolys på platinapartiklarna, observerades utöver den bifunktionella mekanismen. Med denna reaktionsväg ökade selektivitet mot linjära kolväten och metan, med ökande platinahalter på katalysator. Den specifika reaktionshastigheten för hydrogenolys var konstant för olika platinahalter på en sur kiseloxid-aluminiumoxidbärare. Den hydrogenolytiska aktiviteten hos platina katalytiska säten påverkas negativt när en mindre sur bärare användes. Slutsatsen var att interaktioner mellan metallen och bäraren kan spela en viktig roll för de katalytiska egenskaperna hos platina ytor. Detta arbete har bidragit till att öka kunskapen om vätekrackning av långkedjiga alkaner och påpekade vissa funktioner som kan ha praktiskt intresse vid tillämpningen av denna teknik för produktionen av syntetiska bränslen. / <p>QC 20131007</p>