Silica membrane reactors for hydrogen production from water gas shift

This paper presents an analysis of membrane reactor (MR) operation and design for enhanced hydrogen production from the water gas shift (WGS) reaction. It has been established that membrane reactors can enhance an equilibrium limited reaction through product separation. However, the detailed effects of reactor setup, membrane configuration and catalyst volume have yet to be properly analysed for this reaction. This paper investigates new ideas for membrane reactors such as the development of new catalytic films, for improved interaction between the reaction and separation zones. Current membrane reactors utilise a packed bed of catalyst within the membrane tube, utilising a large volume of catalyst to drive reaction. This is still inefficient and provides only limited benefits over conventional WGS reactors. New reactor configurations look to optimise the interactive effects between reaction and separation to provide improved operation. In this paper, thin film catalysts were produced using dip coating and spray coating techniques. This technique produced catalyst coatings with good thickness, though the abrasion strength of the dip coated catalyst was quite low. The catalyst was tested in a packed bed reactor for temperature activity at low temperatures and catalyst activity at varying levels of excess water

Organic reactions in ionic liquids: ionic liquid-accelerated facile synthesis of 3-alkyl-2,4-thiazolidinediones

The room temperature ionic liquid [bmim]PF6 is a new green solvent for the N-alkylation of 2,4-thiazolidinones. Significant rate enhancement and improved yields have been observed.

Organic reactions in ionic liquids: ionic liquid-promoted efficient synthesis of N-alkyl and N-arylphthalimides

Phthalic anhydride reacts rapidly with Aromatic and aliphatic amines in ionic liquid [Bmim][PF6] or [Bmim][BF4] at 130 °C to give N-aryl and N-alkylphthalimides in excellent yields.

Organic reactions in ionic liquids: ionic liquid-promoted efficient synthesis of disubstituted and trisubstituted thioureas derivatives

In ionic liquid [Bmim][BF4], a series of disubstituted and trisubstituted thiourea derivatives were synthesized from phenyl and butyl isothiocyanate with a variety of amine in excellent yield.

Organic reactions in ionic liquids:Ionic liquid promoted Knoevenagel condensation of aromatic aldehydes with (2-thio)barbituric acid

The Knoevenagel condensation of aromatic aldehydes with (2-thio)barbituric acid proceeded efficiently in reusable ionic liquids, EAN, BmimBF4, and BmimPF6 at room temperature in the absence of any catalyst with high yields.

Organic reactions in ionic liquids: ionic liquid-promoted efficient synthesis of N-alkyl and N-arylimides

In the ionic liquids [Bmim][PF6] or [Bmim][BF4], a series of succinimide, maleimide and phthalimide derivatives were synthesized from corresponding anhydrides with a variety of primary amines in excellent yield.

Pore confinement effects and stabilization of carbon nitride oligomers in macroporous silica for photocatalytic hydrogen production

An ordered macroporous host (mac-SiO2) has been used to prevent aggregation of layered photocatalysts based on carbon nitride. Using typical carbon nitride synthesis conditions, cyanamide was condensed at 550 °C in the presence and absence of mac-SiO2. Condensation in the absence of mac-SiO2 results in materials with structural characteristics consistent with the carbon nitride, melon, accompanied by ca. 2 wt% carbonization. For mac-SiO2 supported materials, condensation occurs with greater carbonization (ca. 6 wt%). On addition of 3 wt% Pt cocatalyst photocatalytic hydrogen production under visible light is found to be up to 10 times greater for the supported composites. Time-resolved photoluminescence spectroscopy shows that excited state relaxation is more rapid for the mac-SiO2 supported materials suggesting faster electron-hole recombination and that supported carbon nitride does not exhibit improved charge separation. CO2 temperature programmed desorption indicates that enhanced photoactivity of supported carbon nitride is attributable to an increased surface area compared to bulk carbon nitride and an increase in the concentration of weakly basic catalytic sites, consistent with carbon nitride oligomers.

An ether-functionalised cyclic sulfonium based ionic liquid as an electrolyte for electrochemical double layer capacitors

A novel cyclic sulfonium cation-based ionic liquid (IL) with an ether-group appendage and the bis{(trifluoromethyl)sulfonyl}imide anion was synthesised and developed for electrochemical double layer capacitor (EDLC) testing. The synthesis and chemical-physical characterisation of the ether-group containing IL is reported in parallel with a similarly sized alkyl-functionalised sulfonium IL. Results of the chemical-physical measurements demonstrate how important transport properties, i.e. viscosity and conductivity, can be promoted through the introduction of the ether-functionality without impeding thermal, chemical or electrochemical stability of the IL. Although the apparent transport properties are improved relative to the alkyl-functionalised analogue, the ether-functionalised sulfonium cation-based IL exhibits moderately high viscosity, and poorer conductivity, when compared to traditional EDLC electrolytes based on organic solvents (propylene carbonate and acetonitrile). Electrochemical testing of the ether-functionalised sulfonium IL was conducted using activated carbon composite electrodes to inspect the performance of the IL as a solvent-free electrolyte for EDLC application. Good cycling stability was achieved over the studied range and the performance was comparable to other solvent free,
IL-based EDLC systems. Nevertheless, limitations of the attainable performance are primarily the result of sluggish transport properties and a restricted operative voltage of the IL, thus highlighting key aspects of this field which require further attention.

Carbon Dioxide Uptake from Natural Gas by Binary Ionic Liquid-Water mixtures

Carbon dioxide solubility in a set of carboxylate ionic liquids formulated with stoicheiometric amounts of water is found to be significantly higher than for other ionic liquids previously reported. This is due to synergistic chemical and physical absorption. The formulated ionic liquid/water mixtures show greatly enhanced carbon dioxide solubility relative to both anhydrous ionic liquids and aqueous ionic liquid solutions, and are competitive with commercial chemical absorbers, such as activated N-methyldiethanolamine or monoethanolamine.

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

IONIC LIQUID EXTRACTION UNVEILS PREVIOUSLY OCCLUDED HUMICBOUND IRON IN PEAT POREWATER

Extracellular iron reduction has been suggested as a candidate metabolic pathway that may explain a large proportion of carbon respiration in temperate peatlands. However, the o-phenanthroline colorimetric method commonly employed to quantitate iron and partition between redox species is known to be unreliable in the presence of humic and fulvic acids, both of which represent a considerable proportion of peatland dissolved organic matter. We propose ionic liquid extraction as a more accurate iron quantitation and redox speciation method in humic-rich peat porewater. We evaluated both o-phenanthroline and ionic liquid extraction in four distinct peatland systems spanning a gradient of physico-chemical conditions to compare total iron recovery and Fe2+:Fe3+ ratios determined by each method. Ionic liquid extraction was found to provide more accurate iron quantitation and speciation in the presence of dissolved organic matter. A multivariate approach utilizing fluorescence- and UV-Vis spectroscopy was used to identify dissolved organic matter characteristics in peat porewater that lead to poor performance of the o-phenanthroline method. Where these interferences are present, we offer an empirical correction factor for total iron quantitation by o-phenanthroline, as verified by ionic liquid extraction. The written work presented in this thesis is in preparation for submission to Soil Biology and Biochemisrty by T.J. Veverica, E.S. Kane, A.M. Marcarelli, and S.A. Green.

Tailored mesoporous silica supports for Ni catalysed hydrogen production from ethanol steam reforming

Mesoporous silica supported Ni nanoparticles have been investigated for hydrogen production from ethanol steam reforming. Ethanol reforming is structure-sensitive over Ni, and also dependent on support mesostructure; three-dimensional KIT-6 possessing interconnected mesopores offers superior metal dispersion, steam reforming activity, and on-stream stability against deactivation compared with a two-dimensional SBA-15 support.

Production of biodiesel through esterification catalysed by Ionic liquids

Biodiesel is an alternative diesel fuel that is produced from vegetable oils and animal fats. Currently, most biodiesel is made from oils, methanol, and an alkaline catalyst. Conventional catalysts is commonly used for catalyzing esterification of fatty acid to produce biodiesel. However, a better and greener method was found. An ionic liquid (IL) is a molten salt consisting of a cation and an anion, with low melting temperature. It offers a better solution than sulfuric acid, because it can be recycled and reused in subsequent runs after recovery steps. In this study, a Brønsted acidic IL, 1-butyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate ([BMIM][HSO4]) was used as a catalyst in the esterification of oleic acid with methanol into biodiesel. The effect of different operation parameters such as methanol to oil molar ratio, amount of catalyst, reaction temperature, and reaction time were tested. The optimum conditions for esterification of oleic acid were identified as oleic acid/methanol molar ratio of 1/10, amount of catalyst 10 wt%, reaction time of 4 h, and reaction temperature of 90oC. FAME content of produced biodiesel was analyzed and confirmed using GC chromatography.