Effect of thermal conditions of pyrolysis process on the quality of biochar obtained from vegetable waste

• Autorzy: Molenda J. , Swat M. , Osuch-Słomka E.

Identyfikatory

DOI

10.17512/ios.2018.3.7

Warianty tytułu

PL

Wpływ warunków termicznych procesu pirolizy na jakość biowęgli otrzymanych z odpadów roślinnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

An effective way of managing natural waste, including waste from the agri-food industry or products that are economically useful can be offered by production of biochar. Biochar is used not only as an energy product, but also as a sorption material for e.g. groundwater treatment, sewage treatment, as well as biogas valorization. Therefore, the aim of the study was to determine the effect of the conditions of cascade heating of selected types of vegetable waste in carbon dioxide on the microstructure and chemical composition of the obtained biochar. Wheat straw, corn waste in the form of dried leaves and stems, as well as flax shives and cherry stones were subjected to pyrolysis. Cascading temperature conditions were programmed for a total time of 100 minutes, including 15 minutes of final heating at 500°C in one variant and at 700°C in the other. After final heating, the products were left in the pyrolytic chamber to cool down spontaneously to room temperature. The biochar samples were next subjected to microscopic examinations coupled with X-ray microanalysis (SEM/EDS) and infrared spectral examination (FTIR). It was found that the pyrolysis yielded biochar in the amount from 26 to 32.3% of the initial charge mass, depending on the conditions of the process and the type of waste. Furthermore, the differences observed in the chemical structure of the surface of the biochar concerned mainly the occurrence of organic oxygen functional groups whose type depends on the pyrolysis temperature. An increase in the temperature of pyrolysis leads to a decrease in the oxygen content of the products obtained, which results in a relative increase in the proportion of char in the product. Biochar obtained at temperatures of up to 500°C contains aromatic rings and quinone groups, whereas those obtained at higher temperatures (up to 700°C) have ether groups embedded mainly in aliphatic cyclic groups.

PL

Efektywnym sposobem zagospodarowania odpadów naturalnych, w tym pochodzących z przemysłu rolno-spożywczego, na produkty użyteczne gospodarczo może być wytwarzanie biowęgli. Znajdują one zastosowanie nie tylko jako produkt energetyczny, ale także jako materiał sorpcyjny, wykorzystywany m.in. do uzdatniania wód gruntowych, oczyszczania ścieków, a także waloryzacji biogazu. W związku z powyższym celem przeprowadzonych prac było określenie wpływu warunków kaskadowego ogrzewania wybranych odpadów roślinnych w atmosferze ditlenku węgla na mikrostrukturę i budowę chemiczną powstających biowęgli. Pirolizie poddano słomę pszeniczną, odpady kukurydziane w postaci wysuszonych liści i łodyg, a także paździerze lniane i pestki wiśni. Kaskadowe warunki temperaturowe zaprogramowano na łączny czas 100 minut, w tym 15-minutowe wygrzewanie końcowe w jednym wariancie w temperaturze 500°C, a w drugim wariancie w temperaturze 700°C. Po końcowym wygrzewaniu pozostawiano produkty w komorze pirolitycznej do samoistnego wystudzenia do temperatury pokojowej. Otrzymane biowęgle poddano następnie badaniom mikroskopowym sprzężonym z mikroanalizą rentgenowską (SEM/EDS) oraz badaniom spektralnym w podczerwieni (FTIR). Stwierdzono, że w wyniku pirolizy otrzymuje się biowęgiel w ilości od 26 do 32,3% początkowej masy wsadu, zależnej od warunków prowadzenia procesu oraz rodzaju odpadów. Natomiast obserwowane różnice w budowie chemicznej powierzchni otrzymywanych biowęgli dotyczą w głównej mierze występowania tlenoorganicznych grup funkcyjnych, których typ jest zależny od temperatury procesu pirolizy. Wzrost temperatury pirolizy prowadzi do obniżenia zawartości tlenu w otrzymywanych produktach, co powoduje relatywne zwiększenie udziału węgla w produkcie. Biowęgle otrzymywane w temperaturach do 500°C posiadają w swej strukturze pierścienie aromatyczne oraz ugrupowania chinonowe, natomiast otrzymywane w wyższych temperaturach (do 700°C) posiadają ugrupowania eterowe wbudowane głównie w alifatyczne ugrupowania cykliczne.

Słowa kluczowe

EN

biochar; biochar structure; carbonate; pyrolysis; waste pyrolysis; vegetable waste; biomass

PL

biowęgiel; struktura biowęgla; karbonizat; piroliza; piroliza odpadów; odpady roślinne; biomasa

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 21, nr 3
• Strony: 289--302
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., fot., 1 rys., wykr.

Twórcy

autor

Molenda J.

• Institute for Sustainable Technologies, National Research Institute in Radom, ul. K. Pułaskiego 6/10, 26-600 Radom

autor

Swat M.

• Institute for Sustainable Technologies, National Research Institute in Radom, ul. K. Pułaskiego 6/10, 26-600 Radom

autor

Osuch-Słomka E.

• Institute for Sustainable Technologies, National Research Institute in Radom, ul. K. Pułaskiego 6/10, 26-600 Radom

Bibliografia

• [1] Malińska K., Prawne i jakościowe aspekty dotyczące wymagań dla biowęgla, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2015, 18, 3, 359-371.
• [2] Malińska K., Biowęgiel odpowiedzią na aktualne problemy ochrony środowiska, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2012, 15, 4, 387-403.
• [3] Hawash S.I., Farah J.Y., El-Diwani G., Pyrolysis of agriculture wastes for bio-oil and char production, J. Anal. Appl. Pyrolysis 2017, 124, 369-372.
• [4] Mukhin V.M., Voropaeva N.L., Tkachev A.G., Bogdanovich N.I., Spiridonov Ju.Ja., Vegetable waste as perspective raw materials for the production of carbon adsorbents, Inżynieria Mineralna 2016, VII-XII, 241- 245.
• [5] Mohd Adib Yahya, Al.-Qodah Z., Zanariah Hgah C.W., Agricultural bio-waste materials as potential sustainable precursors used for activated carbon production: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 2015, 46, 218-235.
• [6] Medyńska-Juraszek A., Biowęgiel jako dodatek do gleb, Soil Science Annual 2016, 67, 3, 151-157.
• [7] Malińska K., Dach J., Biowęgiel jako materiał pomocniczy w procesie produkcji biogazu, Inżynieria Ekologiczna 2015, 41, 117-124.
• [8] Kowalczyk R., Piwnicki Ł., Pestki owoców jako cenny surowiec wtórny przemysłu spożywczego, Postępy Techniki Przetwórstwa Spożywczego 2007, 2, 62-66.
• [9] Duran-Valle C.J., Gómez-Corzo M., Gómez-Serrano V., Pastor-Villegas J., Rojas-Cervantes M.L., Preparation of charcoal from cherry stones, Appl. Surf. Sci. 2006, 252, 5957-5960.
• [10] Duran-Valle C.J., Gómez-Corzo M., Pastor-Villegas J., Gómez-Serrano V., Study of cherry stones as raw material in preparation of carbonaceous adsorbents, J. Anal. Appl. Pyrolysis 2005, 73, 59-67.
• [11] Hofman M., Pietrzak R., Adsorpcja fenolu z roztworów wodnych na modyfikowanych azotem adsorbentach otrzymanych z pestek śliwek, Przemysł Chemiczny 2012, 91, 12, 2461-2466.
• [12] Tushar M.S.H.K., Mahinpey N., Khan A., Ibrahim H., Kumar P., Idem R., Production, haracterization and reactivity studies of chars produced by the isothermal pyrolysis of flax straw, Biomas and Bioenergy 2012, 37, 97-105.
• [13] Quyang W., Zhao X., Tysklind M., Hao F., Wang F., Optimisation of corn straw biochar treatment with catalytic pyrolysis in intensive agricultural area, Ecological Engineering 2015, 84, 278-286.
• [14] Figueiredo J.L., Pereira M.F.R., Freitag M.M.A., Órfão J.J.M., Modification of the surface chemistry of activated carbon, Carbon 1999, 37, 1379-1389.
• [15] Brewer C.E., Hall E.T., Schmidt-Rohr K., Laird D.A., Brown R.C., Zygourakis K., Temperature and reaction atmosphere effect on the properties of corn stover biochar, Environmental Progress&Sustainable Energy 2017, 36, 3, 696-707.
• [16] Lewandowski W.M., Radziemska E., Ryms M., Ostrowski P., Nowoczesne metody termochemiczne konwersji biomasy w paliwa gazowe, ciekłe i stałe, Proceedings of ECOpole 2010, 4, 2.
• [17] Zielke U., Ettinger K.J., Hoffman W.P., Surface-oxidized carbon fibers: I. Surface structure and chemistry, Carbon 1996, 34, 8, 983-998.
• [18] Jaramillo J., Alvarez P.M., Gomez-Serrano V., Oxidation of activated carbon by dry and wet methods. Surface chemistry and textural modifications, Fuel Processing Technology 2010, 91, 1768-1775.
• [19] Figueiredo J.L., Pereira M.F.R., The role of surface chemistry in catalysis with carbons, Catalysis Today 2010, 150, 2-7.
• [20] Okoniewska E., Zmiany właściwości węgli aktywnych po procesie ich modyfikacji, Proceedings of ECOpole 2014, 8, 1, 249-254.
• [21] Azargohar R., Nanda S., Kozinski J.A., Dalai A.K., Sutarto R., Effects of temperature on the physicochemical characteristics of fast pyrolysis bio-chars derived from Canadian waste biomass, Fuel 2014, 125, 90-100.
• [22] Duman G., Okutucu C., Ucar S., Stahl R., Yanik J., The slow and fast pyrolysis of cherry seed, Bioresource Technology 2011, 102, 1869-1878.
• [23] Molenda J., Swat M., Wolszczak M., Budowa chemiczna i mikrostrukturalna biowęgli otrzymanych pirolitycznie z odpadów roślinnych, Przemysł Chemiczny 2018, 97, 8, 1380-1386.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).