Analiza składu pierwiastkowego biowęgla z wykorzystaniem spektrometrii ICP-OES i metod chemometrycznych

• Autorzy: Kozak Marek

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2023.09.07

Warianty tytułu

EN

Analysis of the elemental composition of biochar using ICP-OES spectrometry and chemometric methods

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy wykonano oznaczenia 20 pierwiastków w próbkach karbonizatów otrzymanych w wyniku pirolizy biomasy stałej pochodzenia roślinnego oraz próbki osadów ściekowych – biomasy stanowiącej uboczny produkt procesu oczyszczania ścieków. Najniższe stężenia pierwiastków oznaczono w karbonizatach biomasy roślinnej otrzymanych z trocin sosnowych, natomiast najwyższe w próbkach karbonizatów osadów ściekowych. Ten ostatni rodzaj odpadów z procesu oczyszczania ścieków zawierał największe stężenia takich składników mineralnych jak: wapień, magnez, żelazo, siarka i fosfor, lecz także metali ciężkich: chromu, miedzi, niklu, molibdenu, ołowiu, wanadu i cynku. W karbonizatach otrzymanych z materiału roślinnego w najwyższych stężeniach oznaczono: potas, wapń, magnez i fosfor – makroelementy niezbędne do prawidłowego zachowania funkcji życiowych roślin. W celu określenia prawidłowości oraz relacji występujących pomiędzy danymi pomiarowymi zastosowano metody chemometryczne. W badaniach wykorzystano analizę wiązkową (ang. cluster analysis), tzn. metodę grupowania badanych próbek w taki sposób, aby obiekty podobne znajdowały się w tej samej grupie. W wyniku przeprowadzenia obliczeń otrzymano cztery skupienia. Dla każdego skupienia obliczono średnie stężenia pierwiastków wchodzących w jego skład oraz sumaryczne stężenie oznaczanych pierwiastków. Skupienia te to dwa składające się z próbek jednego rodzaju i pozostałe dwa, z których każde zawierało dwie różnego rodzaju próbki. Zaobserwowano, że w przypadku próbek biomasy roślinnej (skorupy orzechów włoskich), dla których zastosowano dwa odmienne sposoby ogrzewania, próbki tego samego rodzaju zostały zaklasyfikowane do różnych skupień: pierwszego – po ogrzewaniu tradycyjnym i drugiego – po ogrzewaniu mikrofalowym. W warunkach prowadzenia procesu pirolizy z wykorzystaniem ogrzewania mikrofalowego oznaczono badane pierwiastki w stężeniach 2–4 razy wyższych, niż gdy proces był prowadzony w tej samej temperaturze, ale z użyciem ogrzewania tradycyjnego.

EN

In this work, 20 elements were determined in samples of carbonizates obtained as a result of pyrolysis of solid biomass of plant origin as well as samples of sewage sludge, a by-product of the sewage treatment process. The lowest concentrations of elements were determined in plant biomass chars obtained from pine sawdust, whereas the highest ones in the samples of sewage sludge chars. The latter type of waste from wastewater treatment process contained the highest concentrations of such minerals as: calcium, magnesium, iron, sulfur and phosphorus, but also heavy metals: chromium, copper, nickel, molybdenum, lead, vanadium and zinc. In the pyrolysis chars obtained from plant material, the following macroelements: potassium, calcium, magnesium and phosphorus, necessary for the proper maintenance of plant vital functions, were determined at the highest concentrations. Chemometric methods were employed to determine the regularities and relationships between the measurement data. Cluster analysis, a method of grouping the tested samples in such a way that similar objects are in the same group, was used for the study. As a result of the calculations, four clusters were obtained. For each cluster, the average concentrations of the constituent elements and the total concentration of the determined elements were calculated. Among these clusters were two, consisting of samples of one type and the other two, each containing two different types of samples. It was observed that for samples of plant biomass (walnut shells) for which two different types of heating methods were used, samples of the same type were classified into different clusters: the first (traditional heating) and the second (microwave heating). Under the conditions of the pyrolysis process with the use of microwave heating, the concentrations of the tested elements were determined 2–4 times higher than when the process was carried out at the same temperature, but with the use of traditional heating.

Słowa kluczowe

PL

biowęgiel; piroliza biomasy; karbonizat; spektrometria emisyjna plazmy sprzężonej indukcyjnie; ICP-OES; chemometria; analiza skupień

EN

biochar; biomass pyrolysis; char; inductively coupled plasma emission spectrometry; ICP-OES; chemometrics; cluster; analysis

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 79, nr 9
• Strony: 611--617
• Opis fizyczny: Bibliogr. 8 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kozak Marek

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Al-Rumaihi A., Shahbaz M., Mckay G., Mackey H., Al-Ansari T., 2022. Review of pyrolysis technologies and feedstock: A blending approach for plastic and biomass towards optimum biochar yield. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 167: 112715. DOI: 10.1016/j.rser.2022.112715.
• Burnus Z., Markiewicz J., 2022. Zastosowanie chromatografii gazowej i cieczowej w badaniach produktów ciekłych pirolizy mikrofalowej. Nafta-Gaz, 78(1): 64–79. DOI: 10.18668/NG.2022.01.07 .
• Khare P., Baruah B.P., Rao P.G., 2011. Application of chemometrics to study the kinetics of coal pyrolysis: A novel approach. Fuel,90(11): 3299–3305. DOI: 10.1016/j.fuel.2011.05.017.
• Kostas E.T., Durán-Jiménez G., Shepherd B.J., Meredith W., Stevens L.A, Williams O.S.A., Lye G.J., Robinson J.P., 2020. Microwave pyrolysis of olive pomace for bio-oil and bio-char production. Chemical Engineering Journal, 387: 123404. DOI:10.1016/j.cej.2019.123404.
• Reyes-Rivera J., 2022. Cheminformatics Applied to Analytical Pyrolysis of Lignocellulosic Materials. [W:] Bartoli M., Giorcelli M. (eds.). Recent Perspectives in Pyrolysis Research. IntechOpen. DOI: 10.5772/intechopen.100147.
• Rosillo-Calle F., 2016. A review of biomass energy – shortcomings and concerns. Journal of Chemical Technology and Biotechnology,91: 1933–1945. DOI: 10.1002/jctb.4918.
• Wu P., Wang Z., Bolan N.S., Wang H., Wang Y., Chen W., 2021. Visualizing the development trend and research frontiers of biochar in 2020: a scientometric perspective. Biochar, 2: 419–436. DOI: 10.1007/s42773-021-00120-3.
• Yin H., Lu J., Liu G., Niu Z., Zha X., Wu D., Feng A., Hu Y., 2021. Application of Chemometrics for Coal Pyrolysis Products by Online py-GC×GC−MS. ACS Omega, 6(5): 3763−3770. DOI:10.1021/acsomega.0c05359.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).