Zastosowanie chromatografii gazowej i cieczowej w badaniach produktów ciekłych pirolizy mikrofalowej

• Autorzy: Burnus Zygmunt , Markowski Jarosław

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2022.01.07

Warianty tytułu

EN

Implementation of gas and liquid chromatography in the study of liquid products of microwave-assisted pyrolysis

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W niniejszej pracy zbadano możliwości wykorzystania technik chromatografii gazowej GC-FID oraz GC-MS wspomaganych klasyczną chromatografią cieczową LC do badania składników biooleju pochodzącego z pirolizy biomasy stałej. Badania biomasy i produktów jej przerobu mają na celu rozwój technologii paliw proekologicznych i/lub zawierających frakcje otrzymywane z biomasy lub surowców odpadowych. Celem tych działań jest stopniowe zwiększanie wykorzystania źródeł energii pochodzących z surowców odnawialnych przy jednoczesnym ograniczaniu zastosowania surowców kopalnych. Jest to jedno z działań, których efektem ma być ograniczenie emisji GHG. Działanie to jest związane z wytycznymi dyrektyw Unii Europejskiej nakazujących wzrost udziału odnawialnych źródeł energii w transporcie oraz energetyce. Są to dyrektywy 2003/30/WE oraz 2009/28/WE, dotyczące promowania użycia biopaliw lub innych paliw odnawialnych w transporcie oraz wzrostu udziału pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych w różnych sektorach krajów Wspólnoty Europejskiej. Energetyczne wykorzystanie biomasy to jeden z głównych obszarów zainteresowania polityki energetycznej Polski, zbieżnej z celami polityki wyznaczonymi przez Unię Europejską. W niniejszym artykule dokonano przeglądu literatury w zakresie rodzajów biomasy występującej w Polsce oraz zastosowania technik chromatografii gazowej i cieczowej (Py-GC, GC-MS, GC-FID) w badaniu ciekłych produktów procesu pirolizy biomasy. Opracowano warunki chromatograficzne badania produktów ciekłych pirolizy biomasy stałej przy wykorzystaniu reaktora mikrofalowego do pirolizy jako elementu aparatury umożliwiającego badania technikami chromatograficznymi. Przy zastosowaniu dobranych warunków analitycznych wykonano badania ciekłych produktów pirolizy biomasy: miskantu olbrzymiego, słomy, trocin sosnowych, łusek słonecznika i ziaren kawy. Zidentyfikowano składniki biooleju pochodzącego z pirolizy biomasy i zaproponowano metodę oznaczania ilościowego składników biooleju. Wykazano możliwość jednoczesnego zastosowania różnych technik chromatografii gazowej w celu poznania składu chemicznego biooleju pochodzącego z pirolizy mikrofalowej różnego rodzaju biomasy stałej.

EN

In this work, the possibilities of implementation of the GC-FID and GC-MS gas chromatography techniques supported by classic LC liquid chromatography to study the components of bio-oil derived from the pyrolysis of solid biomass were examined. Research on biomass and its processing products is aimed at the development of pro-ecological fuels and / or fuels containing fractions obtained from biomass or waste materials. The aim of these activities is to gradually increase the use of energy sources derived from renewable raw materials and limiting the use of fossil raw materials. It is one of the ways to reduce GHG emissions. This action is related to the guidelines of the European Union Directives describing an increase in the share of renewable energy sources in transport and energy – Directives 2003/30/EC and 2009/28/EC – the promotion of the use of biofuels or other renewable fuels in transport and the increase in the share of energy obtained from renewable sources in various sectors of the European Community. The use of energy obtained from biomass is one of the main areas of interest in Poland's energy policy, consistent with the policy objectives set by the European Union. This article describes the types of biomass found in Poland and the use of gas and liquid chromatography techniques (Py-GC, GC-MS, GC-FID) in the study of liquid products of the biomass pyrolysis process. The chromatographic conditions for testing liquid products of solid biomass pyrolysis with the use of a microwave pyrolysis reactor as an element of the apparatus enabling the research with chromatographic techniques were developed. Using selected analytical conditions, tests were carried out on liquid products of biomass pyrolysis: giant miscanthus, straw, pine sawdust, sunflower husks and coffee grounds. The components of bio-oil derived from biomass pyrolysis were identified and a method for the quantification of bio-oil components was proposed. The possibility of the simultaneous application of various gas chromatography techniques to understand the chemical composition of bio-oil from microwave pyrolysis of various types of solid biomass was demonstrated.

Słowa kluczowe

PL

chromatografia gazowa; chromatografia cieczowa; spektrometria mas; biomasa; piroliza mikrofalowa

EN

gas chromatography; liquid chromatography; mass spectrometry; biomass; microwave pyrolysis

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 78, nr 1
• Strony: 64--79
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz.

Twórcy

autor

Burnus Zygmunt

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Markowski Jarosław

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Bartoli M., Rosi L., Frediani P., Frediani M., 2020. Bio-oils from microwave assisted pyrolysis of kraft lignin operating at reduced residual pressure. Fuel, 278: 118–175. DOI: 10.1016/j.fuel.2020.118175.
• Bashir N., Hussain K., Hussain Z., Naz M.Y., Ibrahim K.A., Abdel-Salam N.M., 2018. Effect of metal coil on product distribution of highlyupgraded bio-oil produced by microwave-metal interaction pyrolysis of biomass. Chemical Engineering and Processing – Process Intensification, 130: 140–147.
• Bu Q., Chen K., Xie W., Liu Y., Cao M., Kong X., Chu Q., Mao H., 2019. Hydrocarbon rich bio-oil production, thermal behavior analysis and kinetic study of microwave-assisted co-pyrolysis of microwave-torrefied lignin with low density polyethylene. Bioresource Technology, 291, 121860. DOI: 10.1016/j.biortech.2019.121860.
• Bu Q., Lei H., Ren S., Wang L., Zhang Q., Tang J., Ruan R., 2012. Production of phenols and biofuels by catalytic microwave pyrolysis of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology, 108: 274–279.
• Burnus Z., 2010. Opracowanie nowej metody oznaczania sumarycznej zawartości estrów metylowych kwasów tłuszczowych z wykorzystaniem techniki chromatografii gazowej. Etap 1. Opracowanie i walidacja metodyki. Archiwum Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego, Kraków. Nr arch. DK-4100-0076/2010.
• Burnus Z., 2020. Opracowanie metody oznaczania składników lipidowych w mieszaninach węglowodorów technikami chromatograficznymi. Archiwum Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego, Kraków. Nr arch. DK-4100-0144/2020.
• Chen L., Yu Z., Xu H., Wan K., Liao Y., Ma X., 2019. Microwave-assisted co-pyrolysis of Chlorella vulgaris and wood sawdust using different additives. Bioresource Technology, 273: 34–39. DOI: 10.1016/j.biortech.2018.10.086.
• Dai L., Zeng Z., Tian X., Jiang L., Yu Z., Wu Q., Wang Y., Liu Y., Ruan R., 2019. Microwave-assisted catalytic pyrolysis of torrefied corn cob for phenol-rich bio-oil production over Fe modified bio-char catalyst. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 143: 104691. DOI: 10.1016/j.jaap.2019.104691.
• Fang S., Gu W., Dai M., Xu J., Yu Z., Lin Y., Chen J., Ma X., 2018. A study on microwave-assisted fast co-pyrolysis of chlorella and tire in the N2 and CO2 atmospheres. Bioresource Technology, 250: 821–827. DOI: 10.1016/j.biortech.2017.11.080.
• Hu J., Jiang H., Wang J., Qiao Y., Zuo T., Sun Y., Jiang X., 2019. Physicochemical characteristics and pyrolysis performance of corn stalk torrefied in aqueous ammonia by microwave heating. Bioresource Technology, 274: 83–88.
• Kacprzak A., Michalska K., Romanowska-Duda Z., Grzesik M., 2012. Rośliny energetyczne jako cenny surowiec do produkcji biogazu. Kosmos, 61(2): 281–293.
• Krasodomski M., Wieczorek A., Kopydłowski, 2014. Problemy z przygotowaniem próbek biomasy do oznaczania składu pierwiastkowego techniką spektrometrii rentgenowskiej. Nafta-Gaz, 70(9): 623–631.
• Lestinsky P., Grycova B., Pryszcz A., Martaus A., Matejova L., 2017. Hydrogen production from microwave catalytic pyrolysis of spruce sawdust. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 124: 175–179. DOI: 10.1016/j.jaap.2017.02.008.
• Li F., He X., Shoemaker C.A., Wang C-H., 2020. Experimental and numerical study of biomass catalytic pyrolysis using Ni2P loaded zeolite: Product distribution, characterization and overall benefit. Energy Conversion and Management, 208: 112581. DOI:10.1016/j.enconman.2020.112581.
• Li K., Zhang L., Zhu L., Zhu X., 2017. Comparative study on pyrolysis of lignocellulosic and algal biomass using pyrolysis-gas chromatography/mass spectrometry. Bioresource Technology, 234: 48–52. DOI: 10.1016/j.biortech.2017.03.014.
• Mirowski T., Mokrzycki E., Uliasz-Bocheńczyk A., 2018. Energetyczne wykorzystanie biomasy. Wydawnictwo IGSMIE PAN, Kraków. ISBN: 978-83-62922-94-9.
• Sun J., Wang K., Song Z., Lv Y., Chen S., 2019. Enhancement of bio-oil quality: Metal-induced microwave-assisted pyrolysis coupled with ex-situ catalytic upgrading over HZSM-5. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 137(1): 276–284. DOI:10.1016/j.jaap.2018.12.006.
• Wang L., Chai M., Liu R., Cai R., 2018. Synergetic effects during co-pyrolysis of biomass and waste tire: A study on product distribution and reaction kinetics. Bioresource Technology, 268: 363–370. DOI: 10.1016/j.biortech.2018.07.153.
• Yang H., Chen Z., Chen W., Chen Y., Wang X., Chen H., 2020. Role of porous structure and active O-containing groups of activated biochar catalyst during biomass catalytic pyrolysis. Energy, 210: 118646. DOI: 10.1016/j.energy.2020.118646.
• Yu S., Duan Y., Mao X., Xie Q., Zeng G., Lu M., Ni Y., Ji J., 2018. Pyrolysis of methyl ricinoleate by microwave-assisted heating coupled with atomization feeding. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 135: 176–183. DOI: 10.1016/j.jaap.2018.09.005.
• Yu Z., Wang Y., Jiang L., Dai L., Liu Y., Ruan R., Duan D., Zhou Y., Fan L., Zhao Y., Zou R., 2018. Microwave-assisted catalytic pyrolysis of Chinese tallow kernel oil for aromatic production in a downdraft reactor. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 133(6): 16–21. DOI: 10.1016/j.jaap.2018.05.008.
• Zbytek Z., Adamczyk F., 2017. Możliwości wykorzystania biomasy stałej. Część 1. Uwarunkowania prawne i podział biomasy stałej. Technika Rolnicza, Ogrodnicza, Leśna, 2: 26–28.
• Ziemiański L., Duda A., Żak G., Wojtasik M., Markowski J., Wieczorek A., Kopydłowski A., 2016. Wykorzystanie spektrometrii rentgenowskiej do oceny sposobu dozowania dodatków modyfikujących proces spalania paliw biogennych. Nafta-Gaz, 72(1): 45–49. DOI: 10.18668/NG2016.01.06.
• Akty prawne i dokumenty normatywne
• Dyrektywa 2003/30/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 8 maja 2003 r. w sprawie wspierania użycia w transporcie biopaliw lub innych paliw odnawialnych.
• Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca i w następstwie uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE.
• Strony internetowe
• Burgess Clifford C., Alternative Fuels from Biomass Sources. 5.1 Biomass Pyrolysis. <https://www.e-education.psu.edu/egee439/node/537> (dostęp: 15.10.2021).
• CDS Analytical, Pirolizer CDS 6150, strona internetowa. <https://www.cdsanalytical.com/pyrolysis-6150> (dostęp: 15.10.2021).
• Enerkem, Kanada. <http://enerkem.com> (dostęp: 15.10.2021).
• Grupa PCC, Przemysł celulozowo-papierniczy. <https://www.products.pcc.eu/pl/k/przemysl-celulozowo-papierniczy> (dostęp: 15.10.2021).