Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Redukcja emisji paliwa drzewnego wierzbowego poprzez niskotemperaturową karbonizację hydrotermalną wspomaganą mikrofalami

7.8K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/58970

⸱

19 maja 2019

 ,  ,  ,  , 
1Department of Forest Utilization & Biomass Fuels and Combustion, University of Applied Science Rottenburg, 2Chemical Engineering Department, Faculty of Engineering, Universidad de Santiago de Chile

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

Przedstawiono protokół niszczenia prekursorów emisji z biomasy niskiej jakości za pomocą niskotemperaturowej mikrofalowej karbonizacji hydrotermalnej. Protokół ten obejmuje parametry mikrofalowe oraz analizę produktu z biowęgla i wody technologicznej.

Streszczenie

Biomasa jest zrównoważonym paliwem, ponieważ emisje CO2 są ponownie wchłaniane podczas wzrostu biomasy. Jednakże prekursory nieorganiczne w biomasie powodują negatywny wpływ na środowisko oraz tworzenie żużla. Wybrane drewno wierzbowe z zarośli krótkorotacyjnych (SRC) charakteryzuje się wysoką zawartością popiołu (Diagram równowagi statycznej z równaniem ΣFx=0 dla analizy bilansu sił. = 1,96%), a tym samym wysoką zawartością prekursorów emisji i żużla. W związku z tym zbadano redukcję minerałów z drewna wierzbowego SRC poprzez niskotemperaturową hydrotermalną karbonizację wspomaganą mikrofalowo (MAHC) w temperaturach 150 °C, 170 °C i 185 °C. Przewagą MAHC nad konwencjonalnymi reaktorami jest równomierne przewodzenie temperatury w medium reakcyjnym, ponieważ mikrofalowo przenikają całą objętość reaktora. Pozwala to na lepszą kontrolę temperatury i szybsze chłodzenie. Dzięki temu można efektywnie analizować następstwo reakcji depolimeryzacji, transformacji i repolimeryzacji. W niniejszym badaniu analiza ubytku masy, zawartości i składu popiołu, wartości opałowych oraz molowych stosunków O/C i H/C w przypadku przetworzonego i nieprzetworzonego drewna wierzbowego SRC wykazała, że zawartość minerałów w węglu MAHC została zredukowana, a wartość opałowa wzrosła. W wodzie procesowej odnotowano spadek pH oraz obecność furfuralu i 5-metylofurfuralu. Temperatura procesu 170 °C wykazała najlepszą kombinację nakładu energii i redukcji składników popiołowych. Metoda MAHC pozwala na lepsze zrozumienie procesu hydrotermalnej karbonizacji, podczas gdy wielkoskalowe zastosowanie przemysłowe jest mało prawdopodobne ze względu na wysokie koszty inwestycyjne.

Wprowadzenie

Zastosowanie mikrofal do karbonizacji hydrotermalnej (MAHC) zostało wykorzystane do termochemicznej transformacji związków modelowych biomasy, takich jak fruktoza, glukoza1,2 lub celuloza3, a dla podłoży organicznych, najlepiej materiałów odpadowych4,5,6,7,8,9,10. Wykorzystanie mikrofal jest korzystne, ponieważ pozwala na równomierne ogrzewanie przetworzonej biomasy2,10 głównie poprzez straty termiczne rozpuszczalnika dielektrycznego11,12, chociaż mikrofale nie przekazują wystarczającej ilości energii, aby bezpośrednio zerwać wiązania chemiczne i wywołać reakcje13. Mikrofale przenikają przez całą objętość reakcyjną zbiornika reaktora HTC i przenoszą energię bezpośrednio do materiału, co nie jest możliwe w przypadku konwencjonalnego reaktora, który wykazuje wolniejsze tempo nagrzewania ze względu na wysoką zdolność grzewczą stalowego płaszcza i samej próbki14. Równomierne wzbudzenie cząsteczek wody w próbce przez mikrofale pozwala na lepszą kontrolę procesu, ponieważ temperatura w reaktorze mikrofalowym jest równomiernie rozłożona11,14,15, a czas schładzania po reakcji jest znacznie szybszy. Co więcej, konwencjonalne reaktory nagrzewają się znacznie wolniej, a reakcje chemiczne zachodzące podczas ogrzewania mogą zniekształcać wyniki, które zwykle przypisuje się temperaturze końcowej. Ulepszona kontrola procesu w reaktorze MAHC umożliwia precyzyjne opracowanie zależności temperaturowej wybranych reakcji HTC (np. odwodnienia lub dekarboksylacji). Kolejną zaletą równomiernego rozkładu temperatury w objętości reaktora HTC jest mniejsza adhezja unieruchomionych i całkowicie zwęglonych cząstek do wewnętrznej ściany reaktora2. Jednak woda jest tylko przeciętnym rozpuszczalnikiem pochłaniającym mikrofale, który wykazuje nawet malejącą absorbancję mikrofal w wyższych temperaturach, co ogranicza osiągalną maksymalną temperaturę. Ten negatywny efekt jest kompensowany, gdy kwasy są wytwarzane podczas procesu HTC lub katalizatory (gatunki jonowe lub polarne) są dodawane przed obróbką. Reakcje indukowane mikrofalami wykazują ogólnie wyższą wydajność produktu11,15, a w szczególności 5-hydroksymetylofurfuralu (5-HMF) z fruktozy w porównaniu z reakcjami katalizowanymi w złożu piaskowym12. Mają również znacznie lepszy bilans energetyczny niż konwencjonalne metody ogrzewania15,16.

Podstawowym pojęciem chemicznym karbonizacji hydrotermalnej jest degradacja i sukcesywna polimeryzacja biomasy. W trakcie tych złożonych reakcji oddziałujących na siebie tkanka zostaje pozbawiona tlenu, co zwiększa wartość opałową. Początkowo polimery hemiceluloza i celuloza są hydrolizowane do monomerów cukru17, chociaż niskie temperatury wpływają głównie na hemicelulozę18,19,20,21. W tym wczesnym etapie reakcji HTC kwasy organiczne powstają w wyniku przemiany aldehydów cukrowych i deacetylacji hemicelulozy. Kwasy te mogą być kwasem octowym, mlekowym, lewulinowym, akrylowym lub mrówkowym20,21,22 i obniżają pH wody reakcyjnej w reaktorze. W wyniku dysocjacji tworzą wolne jony ujemne, które zwiększają produkt jonowy w wodzie procesowej. Zwiększający się produkt jonowy umożliwia rozpuszczenie kationów, które są głównymi składnikami popiołu w biomasie. W wyniku tego mechanizmu tkanka jest pozbawiona prekursorów emisji i substancji tworzących żużel (np. potasu, sodu, wapnia, chloru i metali ciężkich)23,24.

Utworzone kwasy organiczne mogą wspomagać odwadnianie monomerów cukru do furanów. Powszechnym produktem odwadniania cukru jest furfural i 5-hydroksymetylofurfural, które są możliwymi do wykorzystania produktami dla przemysłu chemicznego, ponieważ służą jako produkty platformowe (np. do syntezy biopolimerów). 5-metylofurfural może powstawać w reakcjach katalizowanych z celulozy25,26 lub 5-hydroxymethylfurfural27. Podczas gdy synteza biopolimerów jest sztuczną repolimeryzacją w kontrolowanych warunkach, furany mogą również kondensować, polimeryzować i tworzyć struktury aromatyczne o wysokiej masie cząsteczkowej w złożonym środowisku chemicznym reaktora MAHC. Interakcja rozpuszczonych związków organicznych i nieorganicznych ze zmodyfikowaną matrycą komórek drewna zwiększa złożoność systemu reakcyjnego20. Szlaki reakcji polimeryzacji furanu wykorzystują kondensację aldolową lub/i odwodnienie międzycząsteczkowe18,20 i dają cząsteczki hydrowęgla z hydrofobową powłoką i bardziej hydrofilowym rdzeniem28. Nie ujawniono jeszcze, czy cząstki biomasy są całkowicie rozkładane, a następnie repolimeryzowane, czy też cząstki biomasy służą jako matryca do karbonizacji. Jednak reakcje degradacji i repolimeryzacji obejmują również reakcje dehydratacji i dekarboksylacji29,30, co indukuje spadek na diagramie van Krevelena w kierunku stosunków O/C i H/C sadzy.

Podczas gdy inne badania dowiodły efektu redukcji minerałów konwencjonalnego uzdatniania hydrotermalnego opartego na reaktorze31, mycia wodą z połączonym ługowaniem mechanicznym32 lub mycia wodą/octanem amonu/kwasem solnym33, nasze badania po raz pierwszy badają wymywanie minerałów podczas karbonizacji w niskiej temperaturze za pomocą mikrofal. Ponieważ badanie to koncentruje się na wymywaniu prekursorów emisji w celu uszlachetniania paliw, bada los potasu, sodu, magnezu, wapnia, chloru, siarki, azotu i metali ciężkich. Prekursory drobnego pyłu tworzą lotne sole (np. KCl lubK2SO4) w podwyższonych temperaturach w fazie gazowej. Kiedy sole te gromadzą się w gazach spalinowych, metale ciężkie, takie jak, mogą je wymiatać jako cząstki zarodkowania, co prowadzi do reakcji łańcuchowej wzrostu cząstek. Przy niższych temperaturach spalin kondensacja soli dodatkowo wyzwala wzrost cząstek i powoduje emisję rakotwórczego drobnego pyłu z komina. Emisje te są obecnie głównym czynnikiem, który zagraża zrównoważonemu rozwojowi paliw z biomasy. Zrównoważone zaopatrzenie w energię opiera się na ich redukcji za pomocą drogich filtrów lub redukcji paliw (np. przez MAHC). Ponieważ badanie to jest zgodne z praktycznym podejściem, wierzba z zagajnika o krótkiej rotacji (SRC) została wybrana jako potencjalny surowiec bioenergetyczny o wysokich wskaźnikach wzrostu. Może być uprawiany przez rolników na ich polach w celu samowystarczalnego zaopatrzenia w energię elektryczną poprzez zgazowanie, ale także do wytwarzania ciepła przez bezpośrednie spalanie. Wadą wierzby SRC jest wysoka zawartość kory ze względu na niski stosunek łodygi do kory w fazie dojrzałej. Kora zawiera dużo minerałów w porównaniu do drewna34,35,36,37 i powoduje większe ilości emisji gazów lub cząstek38. Niskotemperaturowy HTC może poprawić właściwości spalania drewna wierzbowego SRC, a tym samym przyczynić się do zrównoważonego zaopatrzenia w ciepło i energię elektryczną. Innym ważnym parametrem biowęgla HTC badanego w tym badaniu jest jego gęstość energii, wyższa początkowa temperatura spalania i wyższa końcowa temperatura spalania39.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Przygotowanie materiału próbnego

  1. Zebrać pięcioletnią wierzbę, klon „Tordes” ([Salix schwerinii x S. viminalis] x S. vim.), o wysokości 12−14 m i średnicy w piersi około 15 cm.
  2. Rozdrobić drewno na wióry i wysuszyć je w suszarce komorowej przez 24 h w temperaturze 105 °C.
  3. Rozciąć wióry drewniane w młynku nożowym i zmielić w młynku odśrodkowym do wielkości cząstek 0,12 mm.

2. Hydrotermalna karbonizacja wspomagana mikrofalami

  1. Należy użyć kuchenki mikrofalowej o mocy 850 W i częstotliwości magnetronu 2,455 MHz.
  2. Za pomocą szpatułki należy umieścić 500 mg surowca z kroku 1.3 w 50 mL naczyniu reakcyjnym z politetrafluoroetylenu (PTFE). Należy dodać 10 mL wody demineralizowanej. Nakręcić pokrywę naczynia reakcyjnego tak, aby zawór ciśnieniowy w pokrywie znajdował się na tym samym poziomie co krawędź pokrywy.
  3. Dla każdej temperatury obróbki należy umieścić w kuchence mikrofalowej dwanaście naczyń reakcyjnych z surowcami i zamknąć urządzenie.
  4. Należy ustawić trzy programy temperatury w kuchence mikrofalowej dla trzech wartości: 150 °C (wzrost +12.5 °C min-1, utrzymanie 60 min, moc szczytowa 50%), 170 °C (wzrost +9.6 °C min-1, utrzymanie 60 min, moc szczytowa 80%) oraz 185 °C (wzrost +5.3 °C min-1, utrzymanie 30 min, spadek -1.1 °C min-1 do 150 °C, moc szczytowa 100%). Należy uruchomić kuchenkę mikrofalową dla każdego programu z osobna.
  5. Po zakończeniu programu należy wyjąć naczynia reakcyjne, pozwolić im ostygnąć i ustabilizować się. Następnie należy je otworzyć w dygestorium po upuszczeniu ciśnienia z wnętrza.
  6. Do każdego naczynia reakcyjnego należy dodać 35 mL wody dwukrotnie destylowanej. Roztwór z każdego naczynia należy przelać do probówki wirówkowej i wirować przy 1,714 x g przez 10 min.
  7. Woda procesowa zostaje odlana do osobnej probówki i przechowywana w zamrażarce w temperaturze -5 °C do analizy pH oraz chromatografii gazowej sprzężonej z spektrometrią mas (GC-MS).
  8. Probówkę wirówkową z pozostałym osadem biowęgla należy zamrozić w temperaturze -5 °C. Następnie należy wyjąć osad biowęgla i suszyć go w temperaturze 105 °C przez 24 h. Należy zważyć osad biowęgla i obliczyć ubytek masy wywołany obróbką MAHC.
  9. Kroki 2.2−2.8 należy powtórzyć cztery razy dla każdej temperatury (48 naczyń reakcyjnych na temperaturę), aby uzyskać wystarczającą ilość biowęgla (około 22 g) do dalszych analiz.

3. Oznaczanie zawartości popiołu

  1. Zważ oddzielnie 20 pustych naczyń ceramicznych. Do każdego z nich dodaj 1 g próbki (5 x 1 g surowca oraz 5 x 1 g biowęgla z każdego wariantu temperatury).
    UWAGA: Ponieważ naczynia nie mogą być etykietowane, należy przygotować plan rozmieszczenia naczyń w piecu.
  2. Umieść otwarte naczynia ceramiczne w piecu muflowym i zamknij piec.
  3. Zaprogramuj profil temperatury dla pieca muflowego (+6 °C min-1 od 25 °C do 250 °C, wytrzymaj 60 min, +10 °C min-1 do 550 °C, wytrzymaj 120 min) i uruchom program.
  4. Po zakończeniu programu pozwól piecowi muflowemu ostygnąć do 105 °C. Następnie otwórz piec i wyjmij naczynia ceramiczne.
  5. Umieść naczynia ceramiczne w eksykanie (Tabela materiałów) wypełnionym środkiem osuszającym w postaci żelu krzemionkowego. Zamknij eksykator i wysusz próbki pod próżnią przy użyciu pompy próżniowej.
  6. Wyjmij naczynia ceramiczne po 24 h chłodzenia. Zważ naczynie ceramiczne zawierające popiół i oblicz masę popiołu, odejmując masę pustego naczynia ceramicznego.
  7. Wyznacz zawartość popiołu w procentach, dzieląc masę popiołu przez suchą masę surowca lub biowęgla.

4. Wyznaczenie wyższej i niższej wartości opałowej

  1. Uruchom pompę wodną kalorymetru i otwórz zawór tlenu, aby doprowadzić tlen o czystości 99,5% do kalorymetru.
  2. Odważ 1 g glukozy i umieść ją w plastikowej torebce na próbkę o określonej wartości opałowej 46 479 J/g. Włóż torebkę z próbką do tygla spalającego bomby kalorymetrycznej.
  3. Wlej 5 mL dwukrotnie dejonizowanej wody na dno bomby, a następnie zakręć bombę. Umieść bombę w kalorymetrze i zamknij urządzenie.
  4. Wprowadź wagę próbki i zmień ustawienia na metodę z torebką na próbkę. Uruchom kalorymetr.
  5. Po zakończeniu pomiaru wyjmij bombę, odwróć ją do góry dnem i powoli wstrząśnij przez 1 min.
  6. Odkręć bombę, pobierz 5 mL dwukrotnie demineralizowanej wody i przechowuj ją w pojemniku z nakrętką do późniejszej analizy chromatografii jonowej.
  7. Powtórz kroki 4.2−4.6 trzykrotnie, aby uzyskać wzorzec kalibracyjny.
  8. Powtórz kroki 4.2−4.6 pięciokrotnie dla każdego biowęgla MAHC (150 °C, 170 °C, 185 °C) oraz dla surowca.
  9. Oblicz dolną wartość opałową, korzystając z następującego równania40:
    Równanie do obliczenia dolnej wartości opałowej; LHV, HHV, zawartość wodoru; analiza termodynamiczna.
    gdzie LHV to dolna wartość opałowa, HHV to górna wartość opałowa uzyskana z kalorymetru w kroku 4.4, a ω to zawartość wodoru [Równanie statycznej równowagi ΣFx=0, diagram analizujący siły w układzie mechanicznym. uzyskana z analizy pierwiastkowej.

5. Chromatografia jonowa do oznaczania ilości chloru

UWAGA: Przed analizą należy sprawdzić kalibrację chromatografu jonowego.

  1. Pobrać 5 mL roztworu z kroku 4.8 i dodać 45 mL dwukrotnie zdemineralizowanej wody do kolby miarowej o pojemności 50 mL.
  2. Wprowadzić rurkę ssącą do pojemnika z próbką i za pomocą strzykawki pobrać około 3 mL próbki do przedkolumny. Rozpocząć analizę.
  3. Przeprowadzić pomiary zgodnie z instrukcjami producenta.
  4. Powtórzyć kroki 5.2 i 5.3 dla każdej próbki przygotowanej w sekcji 4.

6. Analiza elementarna w celu oznaczenia stosunków O/C i H/C

  1. Wybierz odpowiednią metodę z instrukcji obsługi urządzenia dla próbek przeznaczonych do pomiaru.
  2. Przygotuj wszystkie standardy sulfonamidów 20 mg oraz próbki ślepe wymagane do kalibracji urządzenia.
  3. Aby przygotować próbkę materiału, odważ 20 mg próbki na folii aluminiowej za pomocą mikrowagi. Zważ próbkę na folii, zamknij folię wokół próbki i dociśnij opakowanie tak, aby zawierało jak najmniej powietrza. Następnie powtórz tę czynność 5 razy dla każdej próbki.
    UWAGA: Aby umożliwić analizę próbek biowęgla, należy dodać taką samą ilość trójtlenku wolframu, co ilość próbki, w stosunku 1:1. Jest to konieczne w celu skompensowania niedoboru tlenu w biowęglu, aby zapewnić całkowite spalanie w analizatorze elementarnym.
  4. Umieść przygotowane próbki w autosamplerze analizatora elementarnego.
  5. Otwórz zawory tlenu i helu do komory spalania analizatora elementarnego.
  6. Uruchom analizę, gdy urządzenie osiągnie temperaturę określoną przez producenta. W tym przypadku poczekaj, aż temperatura osiągnie 900 °C.
  7. Oblicz liczbę moli każdego pierwiastka w standardzie sulfonamidowym na podstawie masy standardu sulfonamidowego (krok 6.2) oraz masy 1 mola odpowiedniego pierwiastka.
  8. Oblicz zależność między molami C, H, S i N w sulfonamidzie, uzyskaną w kroku 6.7, a odpowiednimi polami powierzchni pików.
  9. Odejmij zawartość popiołu w próbce, uzyskaną w kroku 3.7, od całkowitej masy próbki.
  10. Porównaj pole powierzchni piku odpowiedniego pierwiastka w standardzie sulfonamidowym i w próbce, a następnie pomnóż przez liczbę moli każdego pierwiastka w sulfonamidzie, aby uzyskać liczbę moli pierwiastka w próbce.
  11. Oblicz masę C, H, S i N w próbce, mnożąc liczbę moli pierwiastka uzyskaną w kroku 6.10 przez odpowiednią masę molową pierwiastka z układu okresowego.
  12. Oblicz masę tlenu w próbce, korzystając z masy próbki bezpopiołowej uzyskanej w kroku 6.9 i odejmując masę C, H, N i S uzyskaną w kroku 6.11.
  13. Oblicz molowe stosunki H/C i O/C w surowcu oraz w próbkach biowęgla MAHC.

7. Spektroskopia emisyjna z wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej

  1. Odważ 400 mg wysuszonego surowca lub biowęgla MAHC i za pomocą szpatułki umieść go w 50 mL PTFE naczyniu reakcyjnym. Dodaj 3 mL 69% kwasu azotowego oraz 9 mL 35% kwasu solnego.
  2. Zakręć nasadkę naczynia reakcyjnego tak, aby zawór bezpieczeństwa w nasadce znajdował się na tym samym poziomie co krawędź nasadki.
  3. Umieść naczynia reakcyjne z próbkami przeznaczonymi do analizy w kuchence mikrofalowej i zamknij urządzenie.
  4. Zaprogramuj program temperaturowy dla całkowitej degradacji materiału organicznego: wzrost +15.5 °C min-1 do 200 °C, wytrzymanie 30 min, chłodzenie do 180 °C, wytrzymanie przez 5 min. Uruchom kuchenkę mikrofalową.
  5. Po zakończeniu programu wyjmij naczynia reakcyjne, pozostaw je do ostygnięcia i reaktywacji. Następnie otwórz naczynia w dygestorium po zwolnieniu ciśnienia wewnętrznego.
  6. Przelej próbki do 50 mL kolby miarowej. Następnie dokładnie wypłucz naczynie reakcyjne dwukrotnie dejonizowaną wodą i przelej ją do kolby miarowej. Uzupełnij objętość kolby do kreski 50 mL dwukrotnie dejonizowaną wodą, aby zapewnić równomierne rozcieńczenie wszystkich próbek.
  7. Przefiltruj próbkę z kroku 7.6 za pomocą papieru filtrującego o oczkach 150 µm. Przelej filtrat do 50 mL stożkowych probówek wirówkowych.
  8. Umieść próbki wzorcowe w autoinjektorze ICP-OES. Próbki wzorcowe mają znane stężenia (0.0001 ppm, 0.001 ppm, 0.1 ppm, 1 ppm 10 ppm, 20 ppm, 50 ppm) pierwiastków podlegających kwantyfikacji (Ca, As, B, Be, Fe, Se, Zn, Ag, Al, Ba, Bi, Cd, Co, Cr, Cu, Ga, K, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, Pb, Rb, Sr, Te, Tl, V).
  9. Umieść próbki w autoinjektorze ICP-OES i przeprowadź analizę ICP-OES z tymi samymi parametrami.
  10. Po analizie ICP-OES pobierz z oprogramowania stężenia pierwiastków, automatycznie obliczone w mg/kg na podstawie krzywych kalibracyjnych uzyskanych z próbek wzorcowych w kroku 7.8.
  11. Oblicz redukcję stężenia pierwiastków w otrzymanym biowęglu:
    Wzór na redukcję stężenia pierwiastków, pokazujący stosunek stężenia w biomasie i węglu.
    gdzie Conc. in biomass to stężenie pierwiastka w biomasie, a Conc. In coal to stężenie pierwiastka w biowęglu.

8. Pomiar pH wody z procesu HTC

  1. Nalać każdą frakcję ciekłą z procesu MAHC (krok 2.7) surowca oraz trzech biowęgli do czterech odpowiednich zlewków.
  2. Zkalibrować sondę pH za pomocą roztworów wzorcowych.
  3. Zmierzyć pH frakcji ciekłej surowca oraz trzech biowęgli MAHC.

9. Chromatografia gazowa sprzężona z spektrometrią mas

  1. Przefiltrować frakcje ciekłe z procesu MAHC (krok 2.7) za pomocą papieru filtrującego o oczkach 150 µm. Do 1 mL przefiltrowanych frakcji ciekłych dodać 20 mL metanolu.
  2. Przenieść 200 µL do fiolki autosamplera GC-MS i umieścić fiolkę w autosamplerze GC-MS.
  3. Rozcieńczyć czyste standardy furfuralu i 5-metylofurfuralu (czystości analitycznej) metanolem do stężeń 10-2, 10-3, 10-4 oraz 10-5.
  4. Umieścić standardy w autosamplerze GC-MS i przeanalizować je przy następujących parametrach: objętość wtrysku 1 µL przy temperaturze injektora 230 °C i podziale 1:40; kolumna niepolarna 5MS (Tabela materiałów) o długości 15 m i grubości filmu 0,25 mm; program temperatury 30 °C, utrzymywanie przez 2 min, wzrost o +40 °C/min do 250 °C, utrzymywanie przez 2 min; jonizacja przy 70 mV i detektor MS w trybie skanowania w zakresie m/z 35−400, czas każdego skanowania 0,3 s.
  5. Wyznaczyć krzywe kalibracyjne na podstawie pola powierzchni piku całkowitej liczby jonów (TIC) oraz stężenia związku.
  6. Przeanalizować przygotowane próbki fazy ciekłej biowęgla HTC z tymi samymi parametrami analitycznymi i zidentyfikować furfural oraz 5-metylofurfural na podstawie czasu retencji standardu oraz zgodności widma z biblioteką widm.
  7. Wyznaczyć stężenia furfuralu i 5-metylofurfuralu, korzystając z obliczonej krzywej kalibracyjnej (krok 9.6) i podstawiając pola powierzchni pików furfuralu i 5-metylofurfuralu z próbek.

10. Statystyka

  1. Przeanalizuj dane za pomocą testu Shapiro-Wilka pod kątem rozkładu normalnego.
  2. W celu znalezienia istotnych różnic pomiędzy zbiorami danych zastosuj test U Manna-Whitneya dla zbiorów o rozkładzie innym niż normalny oraz test t dla zbiorów o rozkładzie normalnym.
    UWAGA: Jeśli jeden zbiór danych ma rozkład normalny, a drugi nie, należy zastosować test U Manna-Whitneya.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Wyniki analizy pierwiastkowej wykazały różnice w stosunku O/C-H/C między drewnem wierzby a biowęglami MAHC (Rysunek 1). Surowiec wykazuje wyższe wartości stosunków O/C-H/C oraz większą zmienność tych wartości. Obróbka metodą MAHC zmniejszyła zmienność wartości dzięki homogenizacji w reaktorze mikrofalowym. Precyzja reaktora mikrofalowego pozwoliła na wyróżnienie trzech etapów degradacji. W temperaturze 150 °C zmniejszył się stosunek H/C, a także zredukowano z...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

MAHC pozwala na zróżnicowanie etapów degradacji chemicznej poprzez zastosowanie różnych intensywności obróbki termicznej. W związku z tym możliwa jest ocena interakcji pomiędzy ubytkiem masy, stosunkiem O/C-H/C, wartością opałową, redukcją składników popiołu, wzrostem pH wody technologicznej i akumulacją furanów w wodzie technologicznej. Przewaga metody MAHC nad konwencjonalną metodą reaktora HTC polega na przewodzeniu ciepła przez mikrofale, które przenikają przez całą objętość reaktora i przewodzą ciepło na poziomie mi...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy dziękują Christophowi Warthowi, Michaelowi Russowi, Caroli Lepski, Julianowi Tejada i Dr. Rainerowi Kirchhofowi za ich wsparcie techniczne. Badania zostały sfinansowane przez BMBF (Project BiCoLim-Bio-Combustibles Limpios) w ramach grantu o numerze 01DN16036.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
5MS niepolarny kloumnThermo Fisher Scientific, Waltham, USATraceGOLD SQCGCMS
9 i mikro; m Kolumna cząstek z polialkoholem winylowymMethrom AG, Filderstadt, NiemcyMetrosep A Supp 4 -250/4.0Chromatografia jonowa
argonowaWestfalen AG, Mü nster, NiemcyICP-OESUN 1006
IKA-Werke GmbH & Co.KG, Stauffen, NiemcyWirówka C6000o wyższej i niższej wartości opałowej
Andreas Hettich GmbH & Co.KG, NiemcyRotofix 32 A
Retsch Technology GmbH, Haan,
Niemcy Naczynia
Carl Roth GmbH& Co.KG, Karlsruhe, NiemcyXX83.1
Młyn do rozdrabnianiaFritsch GmbH, Markt Einersheim, Niemcypulverisette 19
D(+) GlucoseCarl Roth GmbH& Co.KG, Karlsruhe, NiemcyX997.1wyższa i niższa wartość opałowa
analizatorelementarny elementarna Analysesysteme GmbH, Langenselbold, Niemcyanalizy elementarnejvarioMACRO cube
DWK Life Sciences GmbH, Wertheim, NiemcyDURAN DN300Zawartość popiołu
System GC-MSThermo Fisher Scientific, Waltham, USAŚlad 1300GCMS
Kwas solnyCarl Roth GmbH& Co.KG, Karlsruhe, NiemcyHN53.3ICP-OES
ICP OESSpectro Analytical Instruments GmbH, Kleve, NiemcySpectro Blue-EOP- TIICP-OES
Chromatograf jonowyMethrom GmbH& Co.KG, Filderstadt, Niemcy833 Basic IC plusSuszarka piecowa do chromatografii jonowej
Schellinger KG, Weingarten, Niemcy
suszarka piecowaSchellinger KG, Weingarten, Niemcyzawartością popiołu
Carl Roth GmbH& Co.KG, Karlsruhe, NiemcyL874.1Kuchenka mikrofalowa ICP-OES
Anton Paar GmbH, Graz, AustriaMultiwave Go
Carbolite Gero GmbH & Co.KG, Neuhausen, NiemcyAAF 1100Zawartość
popiołu Kwas azotowyCarl Roth GmbH& Co.KG, Karlsruhe, Niemcy4989.1ICP-OES
oxygenWestfalen AG, Mü nster, NiemcyUN 1072wyższa i niższa wartość opałowa
pH-metrylem Analytics Niemcy Sales GmbH & Co. KG, Weilheim, NiemcyWorek na próbki pH 3310
IKA-Werke GmbH & Co.KG, Stauffen, NiemcyC12awyższa i niższa wartość opałowa
Standardowe naczynia
standardoweBernd Kraft GmbH, Duisburg, NiemcyICP-OES
sulfonamitelementar Analysesysteme GmbH, Langenselbold, NiemcySLBS4782
teflonowe naczynia reakcyjneAnton Paar, AustriaHVT50
Anton Paar, AustriaHVT50ICP-OES
z folii cynowejAnalysesysteme GmbH, Langenselbold, NiemcyS12.01-0032analiza elementarna
tungstenVItlenekelementar Analysesysteme GmbH, Langenselbold, Niemcy11.02-0024analiza elementarna
dwukrotnie woda dejonizowanaCarl Roth GmbH& Co.KG, Karlsruhe, Niemcy
dwukrotnie dejonizowana wodaCarl Roth GmbH& Co.KG, Karlsruhe, Niemcywyższa i niższa wartość opałowa
dwukrotnie woda dejonizowanaCarl Roth GmbH& Co.KG, Karlsruhe, NiemcyICP-OES
Kalorymetr Młyn wirówkowy ceramiczne ZM 200 popiołu Eksykator do Bibuła filtracyjna siatkowa z Piec muflowy i przyrządy laboratoryjne próbki do analizy elementarnej Teflonowe naczynia reakcyjne element

Bibliografia

  1. Li, C., Zhao, Z. K., Cai, H., Wang, A., Zhang, T. Microwave-promoted conversion of concentrated fructose into 5-hydroxymethylfurfural in ionic liquids in the absence of catalysts. Biomass and Bioenergy. 35 (5), 2013-2017 (2011).
  2. Möller, M., Harnisch, F., Schröder, U. Microwave-assisted hydrothermal degradation of fructose and glucose in subcritical water. Biomass and Bioenergy. 39, 389-398 (2012).
  3. Guiotoku, M., Rambo, C. R., Hansel, F. A., Magalhães, W. L. E., Hotza, D. Microwave-assisted hydrothermal carbonization of lignocellulosic materials. Materials Letters. 63 (30), 2707-2709 (2009).
  4. Guiotoku, M., Rambo, C. R., hansel, F. A., Magalhães, W. L. E., Hotza, D. Microwave-assisted hydrothermal carbonization of lignocellulosic materials. Materials Letters. (63), 2707-2709 (2009).
  5. Kannan, S., Gariepy, Y., Raghavan, G. S. V. Optimization and characterization of hydrochar produced from microwave hydrothermal cabonization of fish waste. Waste Management. , 159-168 (2017).
  6. Elaigwu, S. E., Greenway, G. M. Microwave-assisted and conventional hydrothermal carbonization of lignocellulosic waste material: Comparison of the chemical and structural properties of the hydrochars. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 118, 1-8 (2016).
  7. Elaigwu, S. E., Greenway, G. M. Microwave-assisted hydrothermal carbonization of rapeseed husk: A strategy for improving its solid fuel properties. Fuel Processing Technology. 149, 305-312 (2016).
  8. Chen, W. -H., Ye, S. -C., Sheen, H. -K. Hydrothermal carbonization of sugarcane bagasse via wet torrefaction in association with microwave heating. Bioresource technology. 118, 195-203 (2012).
  9. Nizamuddin, S., et al. Upgradation of chemical, fuel, thermal, and structural properties of rice husk through microwave-assisted hydrothermal carbonization. Environmental science and pollution research international. 25 (18), 17529-17539 (2018).
  10. Nizamuddin, S., et al. An overview of microwave hydrothermal carbonization and microwave pyrolysis of biomass. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology. 17 (4), 813-837 (2018).
  11. Dallinger, D., Kappe, C. O. Microwave-assisted synthesis in water as solvent. Chemical reviews. 107 (6), 2563-2591 (2007).
  12. Qi, X., Watanabe, M., Aida, T. M., Smith, J. R. L. Catalytic dehydration of fructose into 5-hydroxymethylfurfural by ion-exchange resin in mixed-aqueous system by microwave heating. Green Chemistry. 10 (7), 799(2008).
  13. Nüchter, M., Ondruschka, B., Bonrath, W., Gum, A. Microwave assisted synthesis - a critical technology overview. Green Chem. 6 (3), 128-141 (2004).
  14. Schanche, J. -S. Microwave synthesis solutions from personal chemistry. Molecular Diversity. 7 (2-4), 291-298 (2003).
  15. Kappe, C. O. Controlled microwave heating in modern organic synthesis. Angewandte Chemie (International ed. in English). 43 (46), 6250-6284 (2004).
  16. Gronnow, M. J., White, R. J., Clark, J. H., Macquarrie, D. J. Energy Efficiency in Chemical Reactions: A Comparative Study of Different Reaction Techniques. Organic Process Research & Development. 9 (4), 516-518 (2005).
  17. Kruse, A., Dahmen, N. Hydrothermal biomass conversion: Quo vadis? The Journal of Supercritical Fluids. 134, 114-123 (2018).
  18. Reza, M. T., et al. Hydrothermal Carbonization of Biomass for Energy and Crop Production. Applied Bioenergy. 1 (1), (2014).
  19. Libra, J. A., et al. Hydrothermal carbonization of biomass residuals: a comparative review of the chemistry, processes and applications of wet and dry pyrolysis. Biofuels. 2 (1), 71-106 (2011).
  20. Reza, M. T., Uddin, M. H., Lynam, J. G., Hoekman, S. K., Coronella, C. J. Hydrothermal carbonization of loblolly pine: reaction chemistry and water balance. Biomass Conversion and Biorefinery. 4 (4), 311-321 (2014).
  21. Funke, A., Ziegler, F. Hydrothermal carbonization of biomass: A summary and discussion of chemical mechanisms for process engineering. Biofuels, Bioproducts and Biorefining. 4 (2), 160-177 (2010).
  22. Kruse, A., Funke, A., Titirici, M. -M. Hydrothermal conversion of biomass to fuels and energetic materials. Current opinion in chemical biology. 17 (3), 515-521 (2013).
  23. Reza, M. T., Lynam, J. G., Uddin, M. H., Coronella, C. J. Hydrothermal carbonization: Fate of inorganics. Biomass and Bioenergy. 49, 86-94 (2013).
  24. Zhang, D., et al. Comparison study on fuel properties of hydrochars produced from corn stalk and corn stalk digestate. Energy. 165, 527-536 (2018).
  25. Huang, Y. -B., Yang, Z., Dai, J. -J., Guo, Q. -X., Fu, Y. Production of high quality fuels from lignocellulose-derived chemicals: a convenient C-C bond formation of furfural, 5-methylfurfural and aromatic aldehyde. RSC Advances. 2 (30), 11211(2012).
  26. Van de Vyver, S., Geboers, J., Jacobs, P. A., Sels, B. F. Recent Advances in the Catalytic Conversion of Cellulose. ChemCatChem. 3 (1), 82-94 (2011).
  27. Delidovich, I., Leonhard, K., Palkovits, R. Cellulose and hemicellulose valorisation: an integrated challenge of catalysis and reaction engineering. Energy & Environmental Science. 7 (9), 2803(2014).
  28. Sevilla, M., Fuertes, A. B. The production of carbon materials by hydrothermal carbonization of cellulose. Carbon. 47 (9), 2281-2289 (2009).
  29. Yao, Z., Ma, X. Characteristics of co-hydrothermal carbonization on polyvinyl chloride wastes with bamboo. Bioresource technology. 247, 302-309 (2018).
  30. Funke, A., Ziegler, F. Hydrothermal carbonization of biomass: A summary and discussion of chemical mechanisms for process engineering. Biofuels, Bioproducts and Biorefining. (4), 160-177 (2010).
  31. Liu, Z., Balasubramanian, R. Upgrading of waste biomass by hydrothermal carbonization (HTC) and low temperature pyrolysis (LTP): A comparative evaluation. Applied Energy. 114, 857-864 (2014).
  32. Khalsa, J., Döhling, F., Berger, F. Foliage and Grass as Fuel Pellets-Small Scale Combustion of Washed and Mechanically Leached Biomass. Energies. 9 (5), 361(2016).
  33. Saddawi, A., Jones, J. M., Williams, A., Le Coeur, C. Commodity Fuels from Biomass through Pretreatment and Torrefaction: Effects of Mineral Content on Torrefied Fuel Characteristics and Quality. Energy & Fuels. 26 (11), 6466-6474 (2012).
  34. Energie aus Biomasse: Grundlagen, Techniken und Verfahren. Kaltschmitt, M., Hartmann, H., Hofbauer, H. , Springer Vieweg. (2016).
  35. Fengel, D., Wegener, G. Wood: Chemistry, Ultrastructure, Reactions. , Walter de Gruyter. Berlin. (1989).
  36. Obernberger, I., Thek, G. Physical characterisation and chemical composition of densified biomass fuels with regard to their combustion behaviour. Biomass and Bioenergy. 27 (6), 653-669 (2004).
  37. Kenney, W. A., Sennerby-Forsse, L., Layton, P. A review of biomass quality research relevant to the use of poplar and willow for energy conversion. Biomass. 21 (3), 163-188 (1990).
  38. Tharakan, P. J., Volk, T. A., Abrahamson, L. P., White, E. H. Energy feedstock characteristics of willow and hybrid poplar clones at harvest age. Biomass and Bioenergy. 25 (6), 571-580 (2003).
  39. Liu, Z., Quek, A., Balasubramanian, R. Preparation and characterization of fuel pellets from woody biomass, agro-residues and their corresponding hydrochars. Applied Energy. , 1315-1322 (2014).
  40. Technischen Komitee ISO/TC 238. "Solid biofuels" und Technisches Komitee CEN/TC 335 "Biogene Festbrennstoffe" Solid biofuels - Determination of calorific value (ISO 18125:2017); German version EN ISO 18125:2017. , Beuth. Berlin. (2017).
  41. Kambo, H. S., Dutta, A. A comparative review of biochar and hydrochar in terms of production, physico-chemical properties and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 45, 359-378 (2015).
  42. Knappe, V., et al. Low temperature microwave assisted hydrothermal carbonization (MAHC) reduces combustion emission precursors in short rotation coppice willow wood. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 134, 162-166 (2018).
  43. Liu, Z., Quek, A., Kent Hoekman, S., Balasubramanian, R. Production of solid biochar fuel from waste biomass by hydrothermal carbonization. Fuel. 103, 943-949 (2013).
  44. Hoekman, S. K., Broch, A., Robbins, C., Zielinska, B., Felix, L. Hydrothermal carbonization (HTC) of selected woody and herbaceous biomass feedstocks. Biomass Conversion and Biorefinery. 3 (2), 113-126 (2013).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Biomasa z wierzbyredukcja zawarto ci popio uobr bka w niskiej temperaturzeanaliza wody procesowejzwi kszenie warto ci opa owejanaliza pierwiastkowa ICP OESprzygotowanie poprzez mielenie wir wkowespalanie w bombowym kalorymetrzedetekcja furfuralu
Redukcja emisji paliwa drzewnego wierzbowego poprzez niskotemperaturową karbonizację hydrotermalną wspomaganą mikrofalami
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.