Physicochemical Properties of Seed Extraction Residues and Their Potential Uses in Energy Production

Aniszewska, M.; Gendek, A.; Drożdżek, M.; Bożym, M.; Wojdalski, J.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Physicochemical Properties of Seed Extraction Residues and Their Potential Uses in Energy Production

Autorzy

Aniszewska M. , Gendek A. , Drożdżek M. , Bożym M. , Wojdalski J.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

18_aniszewska_physicochemical_ROS_2017.pdf

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Właściwości fizykochemiczne i możliwości energetycznego wykorzystania pozostałości wyłuszczarskich

Języki publikacji

Abstrakty

The heat of combustion and calorific value of empty seeds and seed wings were determined. The structure of seed and wing cells and the content of toxic metals and other elements (Cd, Pb, Hg, Cu, Zn, Ni, Cr, Mo, Co, Fe, Mn, Ca, Mg, K, Na) were described. Heat of combustion was measured in a bomb calorimeter. Cell structure was described based on microscopic images acquired with the Nikon Alphaphot -2- TRIN microscope and camera and the Quanta 200 scanning electron microscope. The elemental analysis was performed in the Elementar Vario Macro Cube analyzer and the Milestone Start D microwave digestion system. The mean calorific value of the tested materials ranged from 19.20 to 19.49 MJ×kg^-1. Heavy metal content was higher in pine and spruce seeds than in wings, but the noted concentrations should not have adverse environmental effects. Metal concentrations were similar to those reported by other authors. The tested seeds were abundant in potassium, calcium and magnesium. Wings and empty seeds from extraction residues can be burned and used as sources of renewable energy.

W przedstawionych badaniach określono ciepło spalania i wartość opałową pustych nasion i ich skrzydełek, które mogą być wykorzystane na cele energetyczne. Opisana została ich budowa komórkowa oraz zawartość toksycznych metali i innych pierwiastków (Cd, Pb, Hg, Cu, Zn, Ni, Cr, Mo, Co, Fe, Mn, Ca, Mg, K, Na), które mogą być emitowane do środowiska. Ciepło spalania wyznaczono metodą kalorymetryczną, budowę komórkową określano na podstawie zdjęć z mikroskopu z kamerą Nikon Alphaphot -2- TRIN i mikroskopu skaningowego Quanta 200. Analizę elementarną i pierwiastkową wykonano analizatorem Elementar Vario Macro Cube oraz mineralizatorem mikrofalowym Milestone Start D. Uzyskano średnią wartość opałową badanych materiałów w zakresie 19,20-19,49 MJ×kg^-1. Zawartość metali ciężkich w nasionach sosny i świerka jest wyższa niż w skrzydełkach, jednak ich ilość nie powinna powodować negatywnych skutków ekologicznych. Zawartość metali była zbliżona do wartości podawanych przez innych autorów. Nasiona były zasobne w potas, wapń i magnez. Skrzydełka i puste nasiona po procesie wyłuszczenia szyszek można spalać i wykorzystywać jako paliwo pochodzące z OZE.

Słowa kluczowe

bioenergy biomass biomonitoring forest waste metals seed extraction residues

bioenergia biomasa biomonitoring odpady leśne metale pozostałości wyłuszczarskie

Wydawca

Politechnika Koszalińska

Czasopismo

Rocznik Ochrona Środowiska

Rocznik

2017

Tom

Tom 19

Strony

302--334

Opis fizyczny

Bibliogr. 83 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Aniszewska M.

Warsaw University of Life Sciences – SGGW

autor

Gendek A.

Warsaw University of Life Sciences – SGGW

autor

Drożdżek M.

Warsaw University of Life Sciences – SGGW

autor

Bożym M.

Opole University of Technology

autor

Wojdalski J.

Warsaw University of Life Sciences – SGGW

Bibliografia

1. Aniszewska, M. (2012). Dynamika procesu pozyskania nasion w jedno- i dwuetapowych procesach łuszczenia szyszek sosny zwyczajnej Pinus sylvestris L. Warszawa: Wydawnictwo SGGW.
2. Aniszewska, M., & Gendek, A. (2014). Comparison of heat of combustion and calorific value of the cones and wood of selected forest tree species. Forest Research Papers, 75(3), 231-236.
3. Aniszewska, M., & Gendek, A. (2016a). Logistics of the supplies of selected forest tree species’ cones. Part 1. Cone density and substitution coefficient. Ann. Warsaw Univ. Life Sci. – SGGW, Agricult., 67, 121-130.
4. Aniszewska, M., & Gendek, A. (2016b). Logistics of delivery of cones of selected species of forest trees. Part 2: Cone transport. Ann. Warsaw Univ.Life Sci. – SGGW, Agricult., 68, 113-121.
5. Aniszewska, M., & Kuszpit, D. (2015). Analysis of acquisition and potential usage of conifer cones from Polish seed extraction houses between 2009-2012. Ann. Warsaw Univ. Life Sci. – SGGW, Agricult., 65, 93-101.
6. Antczak, A., Radomski, A., & Zawadzki, J. (2006). Benzene Substitution in Wood Analysis. Ann. WULS – SGGW, For. and Wood Technol., 58, 15-19.
7. Argum, M.E, Dursun, S.,& Karatas, M. (2009). Removal of Cd(II), Pb(II), Cu(II) and Ni(II) from water using modified pine bark. Desalination, 249(2), 519-527.
8. Białobok, S., Boratyński, A., & Bugała, W. (1993). Biologia sosny zwyczajnej. Polska Akademia Nauk Instytut Dendrologii. Poznań-Kórnik: Wydawnictwo Sorus.
9. Budzianowski, W. (2012). Sustainable biogas energy in Poland: Prospects and challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(1), 342-349.
10. Budzianowski, W. (2012). Target for national carbon intensity of energy by 2050: A case study of Poland's energy system. Energy, 46(1), 575-581.
11. Bunse, K., Vodicka, M., Schönsleben, P., Brülhart, M., & Ernst, F.O. (2011). Integrating energy efficiency performance in production management –gap analysis between industrial needs and scientific literature. Journal of Cleaner Production, 19, 667-679.
12. Brebu, M., Ucar, S., Vasile, C., & Yanik, J. (2010). Co-pyrolysis of pine cone with synthetic polymers. Fuel, 89(8), 1911-1918.
13. Bulk, S. L., & Jenkins, B. M. (1999). Combustion properties of lignin residue from lignocellulose fermentation. National Renewable Energy Laboratory, 2, 1385-1391.
14. Cheikh-Rouhou, S., Hentati, B., Besbes, S., Blecker, C., Deroanne, C., & Attia, H. (2006). Chemical composition and lipid fraction characteristics of Aleppo Pine (Pinus halepensis Mill.) seeds cultivated in Tunisia. Food Sci Tech Int., 12(5), 407-415.
15. Coşkun, M., (2006). Toxic Metals in the Austrian Pine (Pinus Nigra) Bark in the Thrace Region, Turkey. Environmental Monitoring and Assessment, 121,173-178.
16. Font, R., Conesa, J.A., Molto, J., & Muñoz, M. (2009). Kinetics of pyrolysis and combustion of pine needles and cones. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 85(1-2), 276-286.
17. Frank, C.L., & Cox, S.R. (2009). The adaptive significance of seed hoarding by the Mt. Graham Red Squirrel. Rozdział monografii: “The Last Refuge of the Mt. Graham R Squirrel: Ecology of Endangerment” (red.) H. Reed Sanderson, John L. Koprowski, University of Arizona Press, 427, 256-271.
18. Fuentes, D., Disante, K.B., Valdecantos, A., Cortina, J., & Vallejo, R. (2007). Sensitivity of Mediterranean woody seedlings to copper, nickel and zinc. Chemosphere, 66(3), 412-420.
19. Ganatsasa, P., Tsakaldimia, M., & Zachariadis, G. (2011). Effect of air traffic pollution on seed quality characteristics of Pinus brutia. Environmental and Experimental Botany, 74, 157-161.
20. Gendek, A., Nurek, T. (2016). Variability of energy woodchips and their economic effects. Folia Forestalia Polonica, Series A, 58(2), 62-71.
21. Gendek, A., & Zychowicz, W. (2014). Investigations on the calorific value of forest chips Ann. Warsaw Univ. Life Sci. – SGGW, Agricult., 63, 65-72.
22. Gendek, A., & Zychowicz, W. (2015). Analysis of wood chippings fractions utilized for energy purposes Ann. Warsaw Univ. Life Sci. – SGGW, Agricult., 65, 79-91.
23. Gdula-Argasińska, J., Appleton, J., Sawicka-Kapusta, K., & Spence, B. (2004). Further investigation of the heavy metal content of the teeth of the bank vole as an exposure indicator of environmental pollution in Poland. Environmental Pollution, 1(131), 71-79.
24. Gifford, D.J. (1988). An electrophoretic analysis of the seed proteins from Pinus monticola and eight other species of pine. Canadian Journal of Botany, 66(9), 1808-1812.
25. Gołos, P., & Kaliszewski, A. (2015). Aspects of using wood biomass for energy production. Forest Research Papers, 76 (1), 78-87.
26. Greinert, A. (2011). Kobalt w środowisku przyrodniczym i antropogenicznym. Zielona Góra: Uniwersytet Zielonogórski. DOI: 10.13140/2.1.2292.5764.
27. Günther, B., Gebauer, K., Barkowski, R., Rosenthal, M., & Bues, C.T. (2012). Calorific value of selected wood species and wood products. Eur. J. Wood Prod., 70, 755-757.
28. Haufa, T., & Wojciechowska D. (1986). Leśne sortymenty opałowe – jako potencjalne źródło energii cieplnej. Las Polski, 20, 12-14.
29. Howard, E. T. (1973). Heat of combustion of various southern pine materials. Wood Science, 5(3), 194-197.
30. Kabata-Pendias, A., & Pendias, H. (1999). Biogeochemia pierwiastków śladowych. Warszawa: PWN.
31. Kačik, F., & Solár, R. (1999). Analiticka Chemia Dreva. Zvolen: Technicka Univerzita vo Zvolene [in Slovak].
32. Karnosky, D. F., Skelly, J. M., Percy, K.E., & Chappelka, A.H. (2007). Perspectives regarding 50 years of research on effects of tropospheric ozone air pollution on US forest. Environmental Pollution, 3(147), 489-506.
33. Khan, A.G., Kuek, C., Chaudhry, T.M., Khoo, C.S., & Hyes, W.J. (2000). Role of plants, mycorrhizae and phytochelators in heavy metal contaminated land remediation, Chemosphere, 41(1-2), 197-207.
34. Kirchner, P, Biondi, F, Edwards, R., & McConnell, J.R. (2008). Variability of trace metal concentrations in Jeffrey pine (Pinus jeffreyi) tree rings from the Tahoe Basin, California, USA. Journal of Forest Research, 13, 347-356.
35. Krutul, D. (2002). Ćwiczenia z chemii drewna oraz wybranych zagadnień chemii organicznej. Warszawa: Wydawnictwo SGGW.
36. Komorowicz, M., Wróblewska, H., & Pawłowski, J. (2009). Skład chemiczny i właściwości energetyczne biomasy z wybranych surowców odnawialnych. Ochrona środowiska i zasobów naturalnych, 40, 402-410.
37. Krzysik, F., (1974). Nauka o drewnie. Warszawa: PWN.
38. Leturcq, P. (2014). Wood preservation (carbon sequestration) or wood burning (fossil-fuel substitution), which is better for mitigating climate change? Annals of Forest Science, 71(2), 117-124.
39. Lu, L., Tang Y., Xie, J., & Yuan, Y. (2009). The role of marginal agricultural land-based mulberry planting in biomass energy production. Renewable Energy, 34(7), 1789-1794.
40. Luszniewicz, A., & Słaby, T. (2008). Statystyka z pakietem komputerowym STATISTICA PL. Teoria i zastosowania. Warszawa: C.H. Beck.
41. Munalula, F., & Meincken, M. (2009). An evaluation of South African fuelwood with regards to calorific value and environmental impact. Biomass and Bioenergy, 33(3), 415-420.
42. Mandre, M., & Ots, K. (2012). Monitoring of heavy metals uptake and allocation in Pinus sylvestris organs in alkalised soil, Environmental Monitoring and Assessment, 184(7), 4105-4117.
43. Masese, F.O., Kitaka, N., Kipkemboi, J., Gettel, G. M., I. K., & McClain, M.E. (2014). Litter processing and shredder distribution as indicators of riparian and catchment influences on ecological health of tropical streams. Ecological Indicators, 46, 23-37.
44. Monkielewicz, L., & Pflaum H. (1967). Użytkowanie Lasu. Warszawa: PWRiL.
45. Mikłaszewicz, M. (2002). Budowa anatomiczna szyszek świerka. Sylwan, 7, 85-91.
46. Nanda, S.; Kozinski, J.A., & Dalai, A.K. (2013). Forestry biomass in a bioenergy perspective. J-FOR-Journal of Science & Technology for Forest Products and Processes, 3(6), 15-26.
47. Nkongolo, K.K, Vaillancourt, A., Dobrzeniecka, S., Mehes, M., & Beckett, P. (2008). Metal content in soil and black spruce (Picea mariana) trees in the Sudbury Region (Ontario, Canada):Low concentration of arsenic, cadmium, and nickel detected near smelter sources. Bull Environ Contam Toxicology, 80(2), 107-111.
48. Onder, S., & Dursun, S. (2006). Air borne heavy metal pollution on Cedrus libani (A. Rich.) in the city centre of Konya (Turkey), Atmos. Environ., 40(6), 1122-1133.
49. Palma, G., Freer, J., & Baeza, J. (2003). Removal of metal ions by modified Pinus radiata bark and tannins from water solutions, Water Res., 37(20), 4974-4980.
50. Palowski, B. (2000). Seed yield from polluted stands of Pinus sylvestris L. New Forests, 20(1), 15-22.
51. Pindór T., & Preisner, L. (2011). The use of selected renewable energy sources in the context of sustainable development criteria. Research Papers of Wrocław University of Economics, 231, 186-196.
52. PN-92/P-50092. Surowce dla przemysłu papierniczego. Drewno. Analiza chemiczna. Polski Komitet Normalizacyjny.
53. PN-EN 13183-1:2004. Wilgotność sztuki tarcicy. Część 1: Oznaczanie wilgotności metodą suszarkowo-wagową. Polski Komitet Normalizacyjny.
54. PN-ISO1928:2002. Paliwa stałe. Oznaczanie ciepła spalania metoda spalania w bombie kalorymetrycznej i obliczanie wartości opałowej. Polski Komitet Normalizacyjny.
55. Prus-Głowacki, W., Chudzińska, E., Wojnicka-Półtorak, A., Kozacki, L., & Fagiewicz, K. (2006). Effects of heavy metal pollution on genetic variation and cytological disturbances in the Pinus sylvestris L. population. J. Appl. Genet., 47(2), 99-108.
56. Rabiej, M. (2012). Statystyka z programem STATISTICA. Gliwice: Helion.
57. Rembowski, Ł. (2007). Wartość opałowa drewna. [http://agroenergetyka.pl/?a=article&id=146].
58. Reva, V., Fonseca, L., Lousada, J., Abrantes, I., & Viegas, D. (2012). Impact of the pinewood nematode, Bursaphelenchus xylophilus, on gross calorific value and chemical composition of Pinus pinaster woody biomass. Eur. J. Forest Res., 131, 1025-1033.
59. Risovič, S., Ɖukič, I., & Vučkovič, K. (2008). Energy Analysis of Pellets Made of Wood Residues. Croat. J. For. Eng., 29(1), 95-107.
60. Rowell, R.M. (2012). Handbook of Wood Chemistry and Wood Composites. CRC Press.
61. Sawauchi, D., Kunii, D. & Yamamoto, Y. (2015) Carbon Dioxide Emissions and Energy Self-Sufficiency of Woody Biomass Utilization for Residential Heating: A Case Study of Nishiwaga, Japan. Journal of Environmental. Protection, 6, 321-327.
62. Sawidis, T., Marnasidis, A., Zachariadis, G., & Stratis, J. (1995). A study of air pollution with heavy metals in Thessaloniki City (Greece) using trees as biological indicators. Arch. Environ. Contam. Toxicol., 28(1), 118-124.
63. Schulz, H., Popp, P., Huhn, G., Stark, H. J., & Schüürmann, G. (1999). Biomonitoring of airborne inorganic and organic pollutants by means of pine tree barks. I. Temporal and spatial variations’. The Science of Total Environment, 232(1-2), 49-58.
64. Sjöström, E. (1993). Wood Chemistry. Fundamentals and Applications. Second edition ed. San Diego: Academic press.
65. So, C.L., & Eberhardt, T.(2013). A mid-IR multivariate analysis study on the gross calorific value in longleaf pine: impact on correlations with lignin and extractive contents. Wood Sci Technol., 47, 993-1003.
66. StatSoft, Inc. (2014). STATISTICA (data analysis software system), version 12. www.statsoft.com.
67. Steven, H. M., & Carlisle, A. (1959). The native pinewoods of Scotland. Edinburgh, London: Oliver and Boyd.
68. Stolarski, M., Szczukowski, S., Tworkowski, J., Krzyżaniak, M., Gulczyński, P., & Mleczek, M. (2013). Comparison of quality and production cost of briquettes made from agricultural and forest origin biomass. Renewable Energy, 57, 20-26.
69. Stvolinskaya, N.S. (2000). Viability of Taraxacum officinale Wigg. in populations of the city of Moscow in relation to motor transport pollution. Russ. J. Ecol., 31(2), 129-131.
70. Su, P., Grandholm K., Pranovich A., Harju L., Holmbom B., & Ivaska A. (2013). Sorption of metal ions from aqueous solution to spruce bark, Wood Sci Technol., 47(5), 1083-1097.
71. Sukhdolgor, J., Badamtsetseg, S., & Adyakhuu, D. (2003). Chemical composition and amount of macro and microelements of pine (Pinus silvestris L) and larch (Larix sibirica Ldb) trees in Mongolia, Mongolian Journal of Biological Sciences, l(1), 81-83.
72. Sylven, N. (1916). Den nordsvenska tallen. Medd. Statens Skogsfórskninst, 13, 9.
73. Telmo, C., & Lousada, J. (2011). The explained variation by lignin and extractive contents on higher heating value of wood. Biomass and Bioenergy, 35(5), 1663-1667.
74. Tylek, P., Walczyk, J., & Mateusiak, Ł. (2010). Prototyp separatora pneumatyczno-sitowego do nasion drzew leśnych z sitami cylindrycznymi. Prace Komisji Nauk Rolniczych, Leśnych i Weterynaryjnych PAU, 14(II), 187-192.
75. Tylek, P., & Walczyk, J. (2009). Bębnowy odskrzydlacz nasion metodami suchą i mokrą. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych, 543, 365-370.
76. Tylek, P., & Walczyk, J. (2009). Polish devices for the seeds de-winging, cleaning and sorting. [W:] FORMEC, Czech University of Life Sciences, Prague, 398-403.
77. Uliasz-Bocheńczyk, A., & Mokrzycki, E. (2015). Biomasa jako paliwo w energetyce. Rocznik Ochrona Środowiska, 17, 900-913.
78. Uri, V., Aosaar, J., Varik, M., Becker, H., Kukumägi, M., Ligi, K., Pärn, L., & Kanal, A. (2015). Biomass resource and environmental effects of Norway spruce (Picea abies) stump harvesting: An Estonian case study. Forest Ecology and Management, 335, 207-215.
79. Voutsa, D., Grimanis, A., & Samara, C. (1996). Trace elements in vegetables grown in an industrial area in relation to soil and air particulate matter. Environ. Pollut., 94, 325-335.
80. Wójcik, M., Sugier, P., Siebielec, G. (2014). Metal accumulation strategies in plants spontaneously inhabiting Zn-Pb waste deposits. Science of the Total Environment, 487, 313-322.
81. Yoshioka, T., & Sakai, H. (2005). Amount and availability of forest biomass as an energy resource in a mountainous region in Japan: a GIS-based analysis. Croatian Journal of Forest Engineering, 26(2), 50-70.
82. Zajączkowski, M. (1949). Studia nad sosną zwyczajną w Tatrach i Pieninach. Prace Roln.-Leśne PAU, 45.
83. Zhao, D., Kane, M., Teskey, R., Markewitz, D., Greene, D., & Borders, B. (2014). Impact of management on nutrients, carbon, and energy in aboveground biomass components of mid-rotation loblolly pine (Pinus taeda L.) plantations. Annals of Forest Science, 71(8), 843-851.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-53e7f9ef-e885-4a80-bfd0-136732ebbfba