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Jul 03, 2023

Entwicklung nachhaltiger Biomasserückstände für Biokraftstoffanwendungen

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 14248 (2023) Diesen Artikel zitieren Metrikdetails Ein umfassendes Verständnis der physiochemischen Eigenschaften, des thermischen Abbauverhaltens und der chemischen

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 14248 (2023) Diesen Artikel zitieren

Details zu den Metriken

Ein umfassendes Verständnis der physikochemischen Eigenschaften, des thermischen Abbauverhaltens und der chemischen Zusammensetzung ist für Biomasserückstände vor ihrer thermochemischen Umwandlung zur Energieerzeugung von entscheidender Bedeutung. In dieser Untersuchung wurden Rückstände von Teffstroh (TS), Kaffeeschalen (CH), Maiskolben (CC) und Sorghumstängeln (SSS) charakterisiert, um ihre potenziellen Anwendungen als hochwertige Bioenergie- und Chemieprodukte zu bewerten. Das thermische Abbauverhalten von CC-, CH-, TS- und SSS-Proben wird unter Verwendung von vier verschiedenen Heizraten berechnet. Die Aktivierungsenergiewerte lagen zwischen 81,919 und 262,238 bzw. 85,737 und 212,349 kJ mol−1 und wurden mit den Modellen KAS und FWO generiert und trugen zum Verständnis des Biomasseumwandlungsprozesses in Bioprodukte bei. Die Cellulose-, Hemicellulose- und Ligningehalte von CC, CH, TS und SSS lagen im Bereich von 31,56–41,15 %, 23,9–32,02 % bzw. 19,85–25,07 %. Die Brennwerte der Reststoffe lagen zwischen 17,3 und 19,7 MJ/kg, vergleichbar mit roher Biomasse. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten agglomerierte, unregelmäßige und raue Texturen mit parallelen Linien, die in allen Biomasseproben Nährstoff- und Wassertransportwege darstellen. Energiedispersive Röntgenspektren und Röntgenbeugungsanalysen zeigten das Vorhandensein von Material mit hohem Kohlenstoffgehalt und kristalliner Beschaffenheit. Die FTIR-Analyse identifizierte markante Bandenpeaks bei bestimmten Wellenzahlen. Basierend auf diesen Erkenntnissen kann der Schluss gezogen werden, dass diese Rückstände Potenzial als Energiequellen für verschiedene Anwendungen haben, beispielsweise in der Textil-, Kunststoff-, Farben-, Automobil- und Lebensmittelzusatzstoffindustrie.

Aufgrund der wachsenden Bevölkerung und des damit einhergehenden hohen Energiebedarfs und der Umweltbedenken fordern staatliche und nichtstaatliche Stellen eine höhere Umweltverantwortung für Chemikalien, Kraftstoffe und Energiegewinnung. Aus erneuerbaren Quellen gewonnene Biokraftstoffe und Chemikalien sind von entscheidender Bedeutung, um den weltweiten Energiebedarf zu decken und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern. Zugänglichkeit, Nutzung und Kosteneffizienz von Energie spielen eine wichtige Rolle bei der Ausweitung der Entwicklung auf der ganzen Welt1,2. Landwirtschaftliche Reststoffe und nicht ernährungsphysiologische Biomassen haben nach Kohle, Erdgas und Öl ein erhebliches Potenzial für die Energieerzeugung3,4,5,6. Daher können Bioprozesse mehrere energieähnliche Produkte liefern und die zirkuläre Bioökonomie stärken7,8. Biokraftstoffe befassen sich mit Umweltproblemen, Kraftstoffsicherheit und sozioökonomischen Vorteilen, um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen für eine nachhaltige Entwicklung zu verringern9. Es wird erwartet, dass aus lignozellulosehaltiger Biomasse gewonnenes Bioöl eine bedeutende Rolle bei der künftigen Kraftstofferzeugung spielen wird, da es eine höhere Energiedichte als Biomasse besitzt10,11,12. Für die Nachhaltigkeit der Biokraftstoffproduktion ist Bioenergie weltweit mit der Idee einer ganzheitlichen Kreislaufwirtschaft verbunden. Bei Bioprozessen geht es um die Verarbeitung, Auswahl und Umwandlung von Rohstoffen in Mehrwertprodukte wie Bioenergie und Chemikalien. Elliot13 enthüllte, dass die aus dem Bioenergieprozess gewonnenen Chemikalien in verschiedenen Anwendungen wie der Textilindustrie, Kunststoffen, Farben, Automobilen und Lebensmittelzusatzstoffen verwendet werden. Biomasse bezieht sich größtenteils auf forstwirtschaftliche und landwirtschaftliche Reststoffe, die aufgrund ihres Heizwerts, ihrer geringen Kosten und ihrer Verfügbarkeit die günstigsten Rohstoffe sind14. Biomasserückstände können über biochemische oder thermochemische Umwandlungswege in Energieträger umgewandelt werden15,16,17.

Rückstände von Teffstroh (TS), Kaffeeschalen (CH), Maiskolben (CC) und Sorghumstängeln (SSS) sind landwirtschaftliche Abfälle, die bei der Verarbeitung von Teff, Mais, Sorghumhirse und Kaffee anfallen, wie in Abb. 1 dargestellt. Teff [Eragrostis tef (Zuccagni.) Trotter]-Stroh, vor Ort als Ch'ed bekannt, wird aus Teff-Getreide gewonnen, das hauptsächlich in Eritrea, Nordkenia und Äthiopien vorkommt18. Es besteht zu 25 % aus Teffkörnern und zu 75 % aus Teffstroh, mit einer Jahresproduktion von 4,3 Millionen bzw. 13 Millionen Tonnen19,20. Teffstroh gilt im Vergleich zu anderen Getreidearten als nahrhaftes Futter für Wiederkäuer21,22.

Vier Arten von Biomasseproben sind (a) CC, (b) CH, (c) TS, (d) SSS.

Kaffeeschalen sind ein Nebenprodukt der Kaffeeverarbeitung in Äthiopien und machen 36,8 % der gesamten Kaffeeproduktion aus, was 1.68.249,6 Tonnen im Jahr 2021/2223,24,25 entspricht. Derzeit gibt es für Kaffeeschalen keine gewinnbringende Verwendung und ihre Anhäufung wird zu einer großen Umweltkrise führen. Süßes Sorghum, bekannt als Tinkish, ist traditionell reich an Zucker und wird ohne Verarbeitung als Futter- und Lebensmittel verzehrt. Sorghum ist mit 50.243.68.072 kg (15,70 %) die drittwichtigste Kulturpflanze im Hinblick auf die Gesamtproduktion mit 1,83 Millionen Hektar (14,13 %) der Fläche gemäß CSA-Daten (2018)26. Sorghumstängel werden als Zaunmaterial für Industrie, Bauwesen und Tierernährung verwendet26,27,28. Aufgrund seiner Trockenheits- und Salztoleranz29 wird es auch für die Ethanolproduktion verwendet. Der Maiskolben ist der nach der Entfernung der Maiskörner verbleibende zentrale Teil des Maises. Mais ist eine bedeutende Kulturpflanze für die Getränke- und Lebensmittelproduktion mit einer jährlichen Gesamtproduktion von 24 Millionen Tonnen, was zu einer erheblichen Ansammlung ungenutzter Maiskolben führt30,31.

Diese Studie konzentriert sich auf die physikalisch-chemische und thermische Charakterisierung von vier spezifischen Biomasserückständen, nämlich Teffstroh (TS), Kaffeeschale (CH), Maiskolben (CC) und süßem Sorghumstiel (SSS), die in Äthiopien vorkommen. Es fehlte Literatur zur detaillierten Charakterisierung dieser spezifischen Biomassetypen. Die Studie schließt eine wichtige Wissenslücke, indem sie die physikalisch-chemischen und thermischen Eigenschaften dieser Biomasserückstände umfassend untersucht. Es liefert wertvolle Einblicke in die potenzielle Nutzung und Umwandlung dieser Biomasseressourcen. Ein weiterer neuartiger und wichtiger Aspekt besteht darin, dass diese Studie offenbar die erste ist, die die physikalisch-chemische und thermische Charakterisierung landwirtschaftlicher Biomasserückstände in Äthiopien untersucht. Daher trägt die Studie zum Verständnis des Biomassepotenzials Äthiopiens bei und eröffnet Wege für nachhaltiges Ressourcenmanagement, erneuerbare Energieerzeugung und Abfallverwertung.

Daher konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf die Nahanalyse, Endanalyse, Heizwerte und Zusammensetzungsanalyse von CC-, CH-, TS- und SSS-Rückständen, die in Äthiopien üblicherweise als landwirtschaftliche Abfallprodukte verfügbar sind. Darüber hinaus wurden CC-, CH-, TS- und SSS-Reste durch Röntgenbeugung (XRD), energiedispersives Röntgen, Rasterelektronenmikroskopie (REM), thermogravimetrische und Differentialanalyse in einer oxidierten und inerten Atmosphäre bei vier (10, 50) charakterisiert , 75 und 100 °C min−1) Heizraten und FTIR.

Biomasse von vier Arten (CC, CH, TS und SSS) wurde von den örtlichen landwirtschaftlichen Flächen (Kombolcha, Äthiopien) gewonnen und 5 Tage lang bei 37 % Luftfeuchtigkeit und einer Temperatur von 23 °C getrocknet. Anschließend wurden die Biomasseproben mittels Motor und Kolben zerkleinert und durch Standardsiebe geleitet, um eine Partikelgröße von < 300 µm zu erhalten. Die Proben wurden in luftdichten Behältern verpackt und zur weiteren Charakterisierung gelagert. CC-, CH-, TS- und SSS-Proben bestanden aus Lignin, Cellulose, Hemicellulose und einem kleinen Anteil eines Extraktivstoffs, und ihre Zusammensetzungsanalyse wurde gemäß der von Mudasir et al.32 untersuchten Technik durchgeführt. Die Nahanalysen der CC CH-, TS- und SSS-Proben wurden gemäß den ASTM-Standardverfahren untersucht. Alle erhaltenen Werte für Feuchtigkeit, festen Kohlenstoff, Asche und flüchtige Bestandteile waren feuchtigkeitsfrei.

Die Feuchtigkeitsgehalte der TS-, CC-, CH- und SSS-Proben wurden gemäß ASTM-Standard unter Verwendung der Verfahren E871-82 (2013)33 ermittelt. Die Feinpulverproben mit Standardgröße < 300 µm wurden separat im Tiegel entnommen und in den Heißluftofen gegeben. Die Temperatur wurde 1 Stunde lang bei 100 ± 5 °C gehalten und die Proben wurden in regelmäßigen Abständen gewogen, bis ein konstantes Gewicht erreicht wurde. Darüber hinaus wurden alle Proben in Exsikkatoren auf Raumtemperatur abgekühlt. Der Aschegehalt der Proben wurde mithilfe der ASTM-Standardverfahren unter Verwendung des Verfahrens D1102-84 (2013)34 bestimmt. 1 g der ofengetrockneten Biomasseproben wurde 2 Stunden lang bei einer Temperatur von 750 °C in einem gewogenen Tiegel aufbewahrt. Biomasseproben wurden vorsichtig entnommen und separat gewogen.

Die flüchtigen Bestandteile der CC-, CH-, TS- und SSS-Proben wurden auf der Grundlage des Verfahrens E872-82 (2013) gemessen. 35,1 g fein gemahlene Biomasse bis zu < 300 µm wurden im Ofen bei 600 °C gehalten und auf 950 °C erhitzt C für 6 Minuten in einem geschlossenen Tiegel, um flüchtige Stoffe (VM) zu erhalten. Der feste Kohlenstoff der Rückstände wurde durch Subtrahieren des Prozentsatzes an Feuchtigkeit, VM und Asche von 100 ermittelt. Der verbleibende Rückstand stellt den Gehalt an festem Kohlenstoff dar.

Der endgültige Analyseprozentsatz von Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Sauerstoff-, Stickstoff-, Schwefel- und Asche-CC-, CH-, TS- und SSS-Proben wurde mit einem Vario MICRO Superuser CHNS-Elementaranalysator gemäß ASTM-Verfahren D5373-0836 ermittelt. Höhere Heizwerte der CC-, CH-, TS- und SSS-Proben wurden mit einem automatischen Bombenkalorimeter (Scitech, Delhi, Indien) unter Verwendung des ASTM-Verfahrens D2015-8537 mit einem Wasseräquivalent von 2579 ermittelt. Thermogravimetrische (TG) und Differentialanalyse (DTG) wurden durchgeführt durchgeführt unter Verwendung eines thermogravimetrischen TG/DTA-Analysegeräts (Perkin Elmer, USA) sowohl unter inerten als auch unter oxidierenden Atmosphären. In nicht-isothermen Abbaustudien im Bereich von 40 bis 900 °C wurden vier unterschiedliche Heizraten (10, 50, 75 und 100 °C min−1) verwendet. Als Trägergas wurde Stickstoff verwendet, wobei eine konstante niedrige Rate von 200 ml/min aufrechterhalten wurde. Während der gesamten TG/DTG-Analyse wurden offene Probenschalen aus Platin zur Aufnahme der Proben verwendet. Die Gewichtsverlustdaten aller Biomasseproben wurden zusammen mit Temperatur- und Zeitinformationen in Verbindung mit den Modellen Ozawa-Flynn-Wall (OFW) und Kissinger-Akahira-Sunose (KAS) verwendet, um die Aktivierungsenergie (Ea) zu bestimmen Reaktionsmodell f (\(\upbeta\)) und Korrelationsfaktor (R) unter Verwendung von TG/DTG-Daten. In dieser Untersuchung wurde ein Umrechnungswert von 0,2–0,8 verwendet.

Die kinetischen Parameter wie Korrelationsfaktor, Reaktionsmodell f(α) und Aktivierungsenergie wurden mithilfe der Isokonversationsmodelle Kissinger-Akahira-Sunose und Ozawa-Flynn-Wall geschätzt. Die thermische Umwandlung von CC, CS, TS und SSS führte in den nachfolgend beschriebenen Arbeiten zu festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen.

Der Abbau unterschiedlicher Biomasse kann wie folgt ausgedrückt werden:

Ea, k, T, R und A sind Aktivierungsenergie, Geschwindigkeitskonstante, Temperatur (K), universelle Gaskonstante (8,314 J/K.mol) bzw. präexponentiell. Der Abbau von Biomasse wird üblicherweise wie folgt beschrieben:

Dabei ist f(β) das kinetische Reaktionsmodell, α die Umwandlungsrate und K(T) die Geschwindigkeitskonstante bei der Temperatur T. Die Geschwindigkeit der thermischen Umwandlung von Biomasse ist eine Funktion der Reaktantenumwandlung bei einer konstanten Temperatur, die sein kann wie folgt geschätzt:

Dabei sind Mo, Mt und Mf die Anfangsmasse, die Masse der Probe bzw. die Endmasse nach der Zeit t. Bei der Kombination von Gl. (1) und (2), daher gilt Gl. (2) kann wie folgt geändert werden:

Für dynamische Fälle ist die Temperatur sowohl von der Zeit als auch von den Heizraten abhängig und wird wie folgt beschrieben:

wobei (β = dT/dt) nach Integration und Umordnung die Kissinger-Akahira-Sunose-Formel (KAS) entwickelt und wie folgt ausgedrückt wird:

Die KAS-Methode wird verwendet, um die Aktivierungsenergie in einem Diagramm von ln (β/T2m) gegen 1/T zu berechnen, und die Steigung beträgt − Ea/R.

Die Aktivierungsenergie wurde auch mit dem Flynn Wall Ozawa (FWO)-Modell wie folgt geschätzt:

Diagramm, log (β) gegen 1/T für vier Heizraten (10, 50, 75 und 100 °C min−1), parallele Linien und für die Umwandlung von 0,2 in 0,8 Werte, die der Aktivierungsenergie entsprechen, werden aus der Steigung von erhalten 0,457 Ea/R.

Die Morphologie der CC-, CH-, TS- und SSS-Proben wurde mittels REM (SEM 500, Carl Zeiss Microscopy GmbH, Deutschland) ermittelt. Die Bilder wurden mit einem System und einem Pistolenvakuum von 7,12 × 10–6 und 2,29 × 10–9 mbar bei 10 kV mit 1000-facher Vergrößerung aufgenommen.

Die XRD-Analyse der Biomasserückstände wurde mit dem Röntgendiffraktometer Smart Lab (Rigaku Corporation, Smart Lab 3 kW, Japan) durchgeführt. Für die Pulverbeugung wurde 1 g jeder Biomasseprobe verwendet. Die XRD-Messungen wurden mit einer 2,2 kW Cu-K-Anoden-Röntgenquelle (40 kV, 30 mA) durchgeführt und deckten einen Winkelbereich von 1,5 h (10–90) ab.

Die FTIR-Messungen wurden mit dem Avatar 370-Instrument von Shimadzu, Bruker: OptikGmbh, USA, durchgeführt. Das Probenpulver wurde mit 1 % Kaliumbromid (KBr) gemischt, um die Proben für die Analyse vorzubereiten. Spektren wurden im Bereich von 500–4000 cm−1 mit einer Auflösung von 4 cm−1 aufgenommen. Auf das erzeugte Spektrum wurde eine mathematische Korrektur angewendet, um ATR (abgeschwächte Totalreflexion) zu berücksichtigen.

Die Bestimmung der Zusammensetzung spezifischer Biomasse ist für die Herstellung endgültiger Bioprodukte bei thermischen Umwandlungsprozessen von entscheidender Bedeutung. Die chemische Zusammensetzung spielt bei diesen Prozessen eine wichtige Rolle, was die Bedeutung des Verständnisses der Zusammensetzung von Biomasseproben unterstreicht. Die für Cellulose, Hemicellulosen und Lignin von CC, CH, TS und SSS erhaltenen Werte sind in Tabelle 1 aufgeführt und mit der Literatur vergleichbar38,39,40,41.

Die Nahanalyse ist für die Untersuchung der thermochemischen Umwandlungsprozesse der CC-, CH-, TS- und SSS-Rückstände von entscheidender Bedeutung. Die Experimente zeigen, dass CC, CH, TS und SSS durch einen Feuchtigkeitsgehalt von < 10 % gekennzeichnet sind32. Der höchste und der niedrigste Feuchtigkeitsgehalt liegen in TS (8,76) bzw. SSS (6,40). Der hohe Feuchtigkeitsgehalt beeinflusst die Heizwerte, während der niedrige Feuchtigkeitsgehalt bei Umwandlungsprozessen zur Kraftstoffherstellung hilfreich ist39. Der Aschegehalt liegt im akzeptablen Bereich der CC-, CH-, TS- und SSS-Rückstände, was einen großen Vorteil bei der Ofenkonstruktion darstellt. Die höchsten und niedrigsten Prozentsätze des Aschegehalts in TS- (7,23 %) und CC-Rückständen (2,79) sind niedrig, wenn sie mit anderen Biomassen korreliert werden39,42. Die gute Eignung von CC-, CH-, TS- und SSS-Rückständen für thermochemische Umwandlungsprozesse wird auf ihren geringen Aschegehalt zurückgeführt.

Umgekehrt sind hohe Aschekonzentrationen unerwünscht, da sie die Verbrennungsgeschwindigkeit negativ beeinflussen und zu Reaktorkorrosion, Verkrustungen und Schlackenbildung führen können39,42. Anorganische Elemente wie Fe, Ca, Mg, P und K sind bei der Umwandlung wichtig. Alkalimetalle mit niedrigen Schmelzpunkten tragen zu Betriebsproblemen wie Verschmutzung, Korrosion und Schlackenbildung bei43. Der Gehalt an flüchtigen Stoffen ist entscheidend für das Verständnis von Verbrennungsmechanismen sowie für die Entwicklung und den Betrieb von Kraftstoffumwandlungssystemen. Unter den Biomasserückständen wies SSS den höchsten Anteil an flüchtigem Material auf (71,71 %), während CC den niedrigsten Anteil (56,74 %) aufwies39. Balasundram et al.44 betonten weiter, dass Biomasserückstände mit höheren flüchtigen Anteilen zur Bildung von Bioenergie in Form von Öl und Gas beitragen. Der erhaltene Gehalt an festem Kohlenstoff liegt im Bereich von 14,77–31,83 %, was auf die Bildung feststoffähnlicher Produkte schließen lässt. Die Feuchtigkeit, Asche, flüchtigen Bestandteile und der Gehalt an festem Kohlenstoff von CC, CH, TS und SSS sind mit denen anderer Biomassen wie Walnussschalen, Kaffeeschalen, Weizenstroh und Holzpellets vergleichbar, wie in Tabelle 2 gezeigt.

Die Hauptelemente von CC-, CH-, TS- und SSS-Biomasserückständen sind Wasserstoff, Kohlenstoff, Schwefel und Stickstoff. Biomasserückstände haben im Allgemeinen einen hohen Sauerstoff- und Wasserstoffanteil und einen niedrigen Kohlenstoff-, Schwefel- und Stickstoffanteil im Vergleich zu Kohle45. Bei thermischen Umwandlungsprozessen sind Kohlenstoff und Wasserstoff lebenswichtige Energiequellen, und die erhaltenen Werte waren denen anderer Biomasserückstände ähnlich24,46,47,48,49,50. Niedrige und hohe Anteile an Kohlenstoff und Sauerstoff verringern den höheren Heizwert von lignozellulosehaltigen Abfällen51. Folglich sind Kraftstoffe mit hohem Kohlenstoff- und geringerem Sauerstoffanteil für die Energienutzung attraktiv52. Die niedrigen Prozentwerte der H/C- und O/C-Verhältnisse verringerten die Emissionen von Dämpfen und Gasen53. Die Menge an Stickstoff und Schwefel in der Biomasse ist gering, was zum Rückgang der NOx- und SOx-Produktion beiträgt54. Die höheren Heizwerte der CC-, CH-, TS- und SSS-Rückstände liegen im Bereich von 17,3–19,7 MJ/kg, vergleichbar mit Biomasse, wie in Tabelle 355 dargestellt.

Die SEM-Bilder wurden mit den Ergebnissen der EDX-Charakterisierung von CC-, CH-, TS- und SSS-Biomasserückständen kombiniert, um deren Oberflächenmorphologie zu untersuchen, wie in Abb. 2 dargestellt. Die SEM-Analyse zeigte, dass die Strukturen der Biomasserückstände unregelmäßig und agglomeriert sind , zeigt eine raue Textur. Bemerkenswert ist, dass die Proben keine Poren aufwiesen, sondern zahlreiche parallele Linien, die als Nährstoff- und Wassertransportwege aus dem Boden dienen. Während CC und TS eine felsige Struktur aufwiesen, zeigten CH und SSS eine blattartige, planare Struktur. Die REM-Aufnahmen zeigten auch das Vorhandensein unverbrannter Ascherückstände in den CC-, CH-, TS- und SSS-Proben, was auf unvollständige Umwandlungsprozesse schließen lässt56,57,58,59.

SEM- und EDX-Spektren des (a) CC (b) CH (c) TS (d) SSS mit 1000-facher Vergrößerung.

Die EDX-Analyse zeigt die Hauptzusammensetzung von Kohlenstoff und Sauerstoff sowie geringe Mengen an Stickstoff (in TS) und Kalium (in CH und SSS) und ist in Abb. 2 dargestellt. Die EDX-Spektren zeigen deutliche Peaks für Kohlenstoff und Sauerstoff sowie kleinere Mengen Spitzenwerte für Stickstoff und Kalium, wie durch die Gewichtsprozente in Tabelle 4 angegeben. Die Fülle an kohlenstoffhaltigem Material lässt auf sein erhebliches Potenzial als Vorläufer für verschiedene thermochemische Umwandlungsprozesse wie Vergasung, Pyrolyse und Aktivkohleproduktion schließen50. Darüber hinaus kann das Vorhandensein von Kalium in CH- und SSS-Rückständen zur Bildung klebriger Oberflächen beitragen, was zu zusätzlicher Agglomeration führt60,61.

Die XRD-Muster von CC-, CH-, TS- und SSS-Proben werden im Bereich von 2θ = 10 − 90° gescannt und sind in Abb. 3 dargestellt. Die für Biomasseproben dargestellten Diffraktogramme weisen Peaks hoher Intensität bei 2θ-Werten von 21° auf , 22°, 16° und 18° und geringe Intensität bei 2θ-Werten von 26,8°, 34°, 35°, 38°, 42°, 44° und 45°. Diese ausgedehnten Peaks bei 16°, 18°, 21° und 22° zeigten, dass Biomasseproben hohe Kohlenstoffgehalte aufweisen, die kristallin sind und in allen Biomasseproben zu sehen sind. Unter all diesen Biomasseproben wurde die maximale Kristallinität für TS und die minimale für CH erhalten. Dies sind die Erkenntnisse der aktuellen Studie. Die erhaltenen Werte waren vergleichbar mit den Ergebnissen von Tesfaw40 für Teffstroh, Lateef für Maiskolben62, Gabriel63 für Teffstroh, Kaffeehülsen, Zuckerrohrbagasse und eingesetzte Fasern, Rambo64 für Kaffeeschalen, Açai-Samen, Reisschalen, Bambus, Kokosnussschalen und Bananenstängel, Xu65 für Maisstängel, Maiskolben und Sorghumstängel.

XRD der CC-, CH-, TS- und SSS-Biomasseproben.

Die FTIR-Spektren von CC, CH, TS und SSS wurden zur direkten Information über funktionelle Gruppen bei Wellenlängen im Bereich von 4500 bis 400 cm−1 aufgezeichnet, wie in Abb. 4 in Tabelle 5 dargestellt. Das Ergebnis zeigt, dass die Regionen 3550 –3844 cm−1 und 2917–2922 cm−1 deuteten auf die –OH-Streckschwingung in Hydroxylgruppen und die asymmetrische bzw. symmetrische –CH-Streckschwingung (CH2 und CH3) hin. Während der Bereich 1030–1213 cm−1 die –CO-Streckung bestätigt. Sehr intensive Peaks im Bereich von 1665–1350 cm−1 stammen aus dem Streckungsmodus von Carbonylen, hauptsächlich Ketonen und Estern. Die Peaks nahe 600 cm−1 und 1030 cm−1 zeigen die C-O-Streckung bzw. die C-H-Biegung. Diese Schwingungen haben ihren Ursprung in Zellulose, Hemizellulose und Lignin. Die chemisch aktiven Bindungen in funktionellen Gruppen beschleunigen die thermischen Umwandlungsreaktionen von Biomasse66. Während der thermischen Zersetzung beschleunigt die OH-Gruppe die Geschwindigkeit der Kondensationsreaktionen, die durch die Dihydroxylierung der Cellulose entstehen, während das Vorhandensein von CH zum Abbau der Hemicellulose führt66. Das Vorhandensein der Alkengruppe (C=C) führt zur Ligninzersetzung, während die Carboxylgruppen (C–O) in Hemicellulose und Cellulose die Geschwindigkeit von Decarboxylierungsreaktionen beschleunigen, die zum Aufbrechen glykosidischer Bindungen und zur Bildung einer Reihe von Sauerstoff führen -haltige Verbindungen wie Aldehyde, Säuren, Ether und nicht kondensierbare Gase wie CO2 und CO66,67,68,69,70.

Infrarotspektren der CC-, CH-, TS- und SSS-Biomasseproben.

Thermogravimetrische (TG) und differentielle thermogravimetrische (DTG) Massenverlustkurven von CC, CH, TS und SSS wurden experimentell in einer oxidierten und inerten Atmosphäre bei vier verschiedenen Heizraten (10, 50, 75 und 100 °C min−1) erhalten. sind in den Abbildungen dargestellt. 5 und 6i–iv. Dehydrierung, Entgasung und Karbonisierung sind die drei Hauptstufen des thermischen Abbauprozesses der CC-, CH-, TS- und SSS-Rückstände zur Beschreibung ihres thermischen Verhaltens71,72,73. In der ersten thermischen Kurve wird ein Massenverlust von 6–9 % beobachtet zum Verlust niedermolekularer flüchtiger Stoffe und intrinsisch oder extrinsisch gebundener Wasserdämpfe für den Temperaturbereich zwischen 37 und 120 °C. Die maximalen und niedrigsten Massenverluste in der thermischen Abbaukurve wurden bei TS-Rückständen (≈ 9 %) und SSS-Rückständen (≈ 6,40 %) bei einer Heizrate von 10 bzw. 50 °C/min beobachtet, wie in Abb. 5 dargestellt . Die zweite Zone im Bereich von 120 bis 380 °C wies bei allen Biomasseabfällen einen erheblichen Massenverlust (40–85 %) auf, mit Schwankungen je nach Heizrate, 45–76 % bei 10 °C min−1, 50–85 % bei 50, 75 und 100 °C min−1. Diese Stufe entspricht der Entgasung/Oxidation von Hemizellulose, Zellulose und Lignin71,72,74. Die dritte Zone, die Passivzone, beginnt bei 390 °C und erstreckt sich bis 900 °C, wo es über einen weiten Temperaturbereich zu minimalem Massenverlust durch kohlenstoffhaltige Feststoffe und Ligninabbau kommt72,75. Während der gesamten Untersuchung wurde beobachtet, dass die thermische Zersetzung über 450 °C nahezu unbedeutend war. Die Verschiebung der TG-Massenverlustkurven bei höheren Heizraten kann auf Schwankungen des Wärmeflusses innerhalb der CC-, CH-, TS- und SSS-Biomassepartikel zurückgeführt werden. Niedrigere Heizraten ermöglichen eine bessere Wärmeübertragung und führen zu einem gleichmäßigeren Abbau der Biomasse76. Die thermische Zersetzung von CC, CH, TS und SSS erfolgte über einen breiten Temperaturbereich mit überlappendem Abbau der Bestandteile, wie in Abb. 5i – iv dargestellt.

TGA- und DTG-Untersuchung von CC, CH, TS und SSS in oxidierender Atmosphäre bei vier verschiedenen Heizbereichen.

TGA- und DTG-Analyse von (i) CC, (ii) CH, (iii) TS und (iv) SSS in einer inerten Atmosphäre bei vier verschiedenen Heizbereichen.

Die Ableitungskurve bei der niedrigsten Heizrate (10 °C min−1) liefert eine klarere Darstellung des Zellulose-, Hemizellulose- und Ligninabbaus. Bemerkenswert ist, dass im Temperaturbereich von 325–550 °C bei allen Proben ein erheblicher Massenverlust auftritt, der hauptsächlich auf den Abbau von Zellulose und Hemizellulose zurückzuführen ist, wobei Lignin in geringerem Maße dazu beiträgt76,77,78,79,80,81. Daher können in der aktiven thermochemischen Umwandlungszone größere und kleinere Reaktionen auf die Zersetzung von Hemicellulosen und Cellulose zurückgeführt werden. Dieser Befund deckt sich mit ähnlichen Beobachtungen anderer Forscher, die den Abbau von Biomasse in diesem Temperaturbereich untersuchen75,82,83. Die thermische Zersetzung von CC, CH, TS und SSS erfolgt über einen weiten Temperaturbereich, wobei sich der Abbau von Hemizellulose- und Ligninkomponenten überlappt, wie in den Abbildungen dargestellt. 5 und 6i–iv. Die Ableitungskurve des Massenverlusts bei der niedrigsten Heizrate (10 °C/min) zeigt einen erheblichen Abbau des Lignozellulosematerials, der durch zusammengeführte Peaks mit zunehmender Heizrate gekennzeichnet ist. Cellulose und Hemicellulosen zeigen einen signifikanten Abbau von 120 bis 390 °C, während Lignin in diesem Temperaturbereich teilweise abgebaut wird77,78. Die DTG-Kurven werden mit steigenden Heizraten von 10 bis 100 °C/min größer und breiter. Dies deutet auf einen gleichzeitigen Abbau der lignozellulosehaltigen Biomassebestandteile hin, was aufgrund ihrer heterogenen Zusammensetzung zu überlappenden Kurven führt84. Höhere Heizraten verkürzen die Zeit, die zum Erreichen der Pyrolysetemperatur erforderlich ist, was zu einer kürzeren Pyrolysezeit führt, was als vorteilhaft angesehen wird85,86.

Das Verhalten der Aktivierungsenergie und der Korrelationskoeffizienten (R2) in den OFW- und KAS-Methoden wurde aus den linearen Regressionen bei vier verschiedenen Heizraten als Funktion der Umwandlung (0,2–0,8) in den in den Abbildungen exponierten inerten und oxidierenden Atmosphären generiert. 7, 8 und 9i, ii. Die Korrelationskoeffizienten (R2) reichen von 0,74 bis 0,99 in CC, 0,89–0,99 in CH, 0,85–0,93 in TS und 0,93–0,97 in SSS in der KAS-Methode. In ähnlicher Weise reicht die OFW-Methode von 0,80 bis 0,99, 0,90–0,99, 0,72–0,94 bzw. 0,94–0,97 in CC, CH, TS und SSS. Es zeigte sich, dass die präexponentiellen Werte der CC-, CH-, TS- und SSS-Proben nahezu gleich sind und mit zunehmender Heizrate ansteigen.

(i) Arrhenius-Diagramme von ln(β/(T)2) gegen 1/(T) von CC, CH, TS und SSS in einer oxidierenden Atmosphäre mit einer Umwandlungsrate (0,2–0,8), erhalten durch die KAS-Methode. (ii) Arrhenius-Diagramme von ln(β/(T)2) gegen 1/(T) von (i) CC (ii) CH (iii) TS und (iv) SSS in einer inerten Atmosphäre, erhalten durch KAS mit einer Umwandlungsrate (0,2–0,8).

(i) Arrhenius-Diagramme von log(β/) gegen 1/(T) von CC, CH, TS und SSS, erhalten durch die OFW-Methode in einer oxidierenden Atmosphäre mit einer Umwandlungsrate (0,2–0,8). (ii) Arrhenius-Diagramme von log(β/) gegen 1/(T) von CC, CH, TS und SSS in einer inerten Atmosphäre, erhalten durch die OFW-Methode mit einer Umwandlungsrate (0,2–0,8).

(i) Variationen der Aktivierungsenergie mit einer CC-, CH-, TS- und SSS-Umwandlungsrate für die KAS- und OFW-Methode in anoxidierter Atmosphäre. (ii). Variationen der Aktivierungsenergie mit der CC-, CH-, TS- und SSS-Umwandlungsrate für die KAS- und OFW-Methode in einer inerten Atmosphäre.

Die vom KAS-Modell in allen Biomasseproben erzeugten durchschnittlichen Aktivierungsenergiewerte (Ea) sind etwas höher als die des OFW-Modells. Die Ergebnisse zeigten, dass die maximale und minimale Ea für das KAS-Modell 262,238 bzw. 81,919 kJ mol−1 bei Umwandlungen von 0,7 bzw. 0,2 von CC und CH betrug. Das OFW-Modell hat 12,349 (0,7) bzw. 85,737 kJ mol−1 (0,2) SSS und CH. Die Aktivierungsenergie bei der Umwandlung weist aufgrund der Entfernung leichter flüchtiger Bestandteile und Feuchtigkeitsgehalte keine regelmäßige Anordnung auf. Der durchschnittliche E liegt jedoch sehr nahe beieinander, was bedeutet, dass die KAS- und FWO-Modelle zur Bestimmung dieses kinetischen Parameters geeignet sind. Der niedrigste Ea ist für eine Pyrolysereaktion besser geeignet. Die Umwandlungen von CC, CH, TS und SSS verliefen nahezu parallel, was die Wahrscheinlichkeit eines einzigen Reaktionsmechanismus erhöht. Somit könnte der Anstieg von Ea auf den Einfluss der Wärmeübertragung bei höheren Temperaturen in beiden Modellen zurückzuführen sein87. Ma et al.88 untersuchten Abweichungen im Eadue auf verschiedene konkurrierende und parallele Reaktionen während des Biomasseabbaus. Die erhaltenen Ea-Werte waren vor allem aufgrund des Aufbrechens der schwächeren Bindungen in der Hemizellulose niedrig. Die Vergleiche der Aktivierungsenergien in der vorliegenden Arbeit sind vergleichbar mit anderen verschiedenen Biomassen, die in der Literatur vorgestellt werden39,89,90,91,92,93.

Im Rahmen dieser Forschung wurde eine umfassende Untersuchung durchgeführt, um die physikalischen und thermochemischen Eigenschaften zusammen mit FTIR, SEM, EDX und XRD von vier verschiedenen Biomasserückständen (TS, CH, CC und SSS) zu untersuchen. Der thermische Abbau zeigte eine vollständige Feuchtigkeitsentfernung bei 37–120 °C in der ersten Zone. Die zweite Zone im Bereich von 120 bis 380 °C wurde auf die Entgasung/Oxidation von Zellulose und Hemizellulose zurückgeführt, was zu einem erheblichen Massenverlust (40–85 %) führte. Die dritte Zone mit einer Temperatur von 390–900 °C zeigte den Abbau von kohlenstoffhaltigen Feststoffen und Lignin mit minimalem Massenverlust. Während der Pyrolyse war die thermische Stabilität von Lignin und Cellulose/Hemicellulose offensichtlich, wobei unterschiedliche Temperaturbereiche für ihre Zersetzung durch die Erhitzungsrate beeinflusst wurden. KAS- und FWO-Modelle könnten den Ea jedes Umwandlungsprozesses effizient vorhersagen. Der hohe Gehalt an festem Kohlenstoff und flüchtigen Stoffen sowie der niedrige Asche- und Feuchtigkeitsgehalt lassen darauf schließen, dass CC-, CH-, TS- und SSS-Rückstände potenzielle Quellen für die Erzeugung von Biokraftstoffen durch Vergasung oder Pyrolyse darstellen. Das SEM zeigte eine heterogene Struktur, während die EDX- und XRD-Spektren ein Material mit hohem Kohlenstoffgehalt und eine kristalline Struktur zeigten. Die FTIR-Analyse verdeutlichte die Dominanz sauerstoffhaltiger Verbindungen in der Zusammensetzung der CC-, CH-, TS- und SSS-Reste. Diese umfassende Charakterisierung bestätigt, dass Biomasseproben hervorragende Energiequellen für verschiedene thermochemische Umwandlungsprozesse sind.

Die CC-, CH-, TS- und SSS-Reststoffverwertung kann sich auf die folgenden Bereiche konzentrieren, um die nachhaltige Energieproduktion und Mehrwertprodukte weiter zu verbessern:

Erkunden Sie neuartige Pyrolyse- und Vergasungstechnologien, die die Effizienz der CC-, CH-, TS- und SSS-Rückstandsumwandlung verbessern und die Ausbeute an Biokraftstoffen und chemischen Mehrwertprodukten steigern können.

Die bei den thermischen Umwandlungsprozessen anfallenden Nebenprodukte identifizieren potenziell hochwertige Anwendungen in verschiedenen Branchen wie Kraftstoff, Energie, Landwirtschaft, Bauwesen oder Abwasserbehandlung.

Die Machbarkeit der Einrichtung integrierter Bioraffinerien, die mehrere Biomasserückstände effizient nutzen können, um eine Reihe von Produkten herzustellen, darunter Biokraftstoffe, Biochemikalien und biobasierte Materialien.

Entwickeln und wenden Sie fortschrittliche kinetische Modelle an, die die komplexen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Komponenten von Biomasserückständen während des thermischen Abbaus berücksichtigen. Die Integration von Rechentechniken und experimentellen Daten wird dazu beitragen, Reaktionswege und Kinetik genau vorherzusagen und so die Prozessoptimierung zu verbessern.

Durchführung einer umfassenden technoökonomischen Analyse zur Bewertung der wirtschaftlichen Machbarkeit einer Ausweitung der Konvertierungsprozesse für kommerzielle Anwendungen. Dabei würden die Rohstoffkosten, die Prozesseffizienz und potenzielle Einnahmequellen aus verschiedenen Produkten berücksichtigt.

Konzentrieren Sie sich auf die Entwicklung umweltverträglicher Prozesse zur Umwandlung von Biomasse, die Treibhausgasemissionen minimieren und eine Kreislaufwirtschaft fördern. Untersuchen Sie Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -nutzung, um Emissionen auszugleichen und das Gesamtpotenzial zur Kohlenstoffbindung zu erhöhen.

Erforschung innovativer Technologien zur Verbesserung der Qualität und Eigenschaften von Bioöl und Synthesegas, die bei der Umwandlung entstehen.

Durch diese Forschungsinitiativen können wir das volle Potenzial von Biomasserückständen als erneuerbare Energiequellen und wertvolle Rohstoffe für eine breite Palette biobasierter Produkte erschließen. Diese Bemühungen können zu einer nachhaltigeren, umweltfreundlicheren und diversifizierteren Energie- und Chemielandschaft beitragen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Teffstroh

Kaffeeschale

Maiskolben

Süßer Sorghumstiel

Ozawa–Flynn–Wall

Kissinger–Akahira–Sunose

Rasterelektronenmikroskopie

Energiedispersives Röntgen

Röntgenbeugung

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie

Thermogravimetrisch

Differenzielle Thermogravimetrie

Kalium

Phosphor

Magnesium

Kalzium

Eisen

Sauerstoff

Wasserstoff

Temperatur

Amerikanische Gesellschaft zum Testen von Materialien

Stickoxide

Schwefeloxide

Kohlenstoff

Schwefel

Korrelationskoeffizienten

Flüchtige Angelegenheiten

Festen Kohlenstoff

Stickstoff

Kaliumbromid

Abgeschwächte Totalreflexion

Nachhaltiges Energieziel

Mega Joule pro Kilogramm

Kilojoule pro Mol

Celsius pro Minute

Gewichtsprozent

Trockenaschefrei

Zentimeter

Celsius

Aktivierungsenergie

Präexponentiell

Geschwindigkeitskonstante

Universelle Gas Konstante

Reaktionskinetisches Modell

Wechselkurs

Geschwindigkeit konstant bei Temperatur

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Endmasse nach der Zeit t

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Die Autoren danken der Researchers Supporting Project-Nummer (RSP2023R6), King Saud University, Riad, Saudi-Arabien. Außerdem möchten die Autoren der Universiti Tenaga Nasional (UNITEN), Malaysia, dem Department of Chemical Engineering, und der zentralen Forschungseinrichtung, dem Indian Institute of Technology Roorkee, Indien, für die Analyse verschiedener Biomasse danken.

Institut für Energieinfrastruktur (IEI), National Energy University (UNITEN), 43000, Kajang, Malaysia

Mudasir Akbar Shah & Gasim Haider

Abteilung für Chemieingenieurwesen, Indian Institute of Technology Roorkee, Roorkee, Uttarakhand, 247667, Indien

Rahul Kumar und Vimal Kumar

Fachbereich Chemie, College of Science, King Saud University, Riad, Saudi-Arabien

Tansir Ahamad

School of Civil and Environmental Engineering, FEIT, University of Technology Sydney, NSW 2007, Australien

MD. Abul Kalam

Fakultät für Maschinenbau und Universitätszentrum für Forschung und Entwicklung, Universität Chandigarh, Mohali, Punjab, 140413, Indien

Manzoore Elahi Mohammad Soudagar

Institut für nachhaltige Energie, National Energy University, Jalan IKRAM-UNITEN, 43000, Kajang, Selangor, Malaysia

Manzoore Elahi Mohammad Soudagar

Chemieforschungslabor, HMS Institute of Technology, Tumakuru, Karnataka, 572104, Indien

Sathgatta Zaheeruddin Mohammed Shamshuddin

Erdöl- und Chemieingenieurwesen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universiti Teknologi Brunei, Bandar Seri Begawan, BE1410, Brunei Darussalam

Nabisab Mujawar Mubarak

Abteilung für Biowissenschaften, Saveetha School of Engineering, Saveetha Institute of Medical and Technical Sciences, Chennai, Indien

Nabisab Mujawar Mubarak

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MAS: Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, Konzeptualisierung, Methodik. Untersuchungsvalidierung. RK: Datenkuration, Überprüfung und Bearbeitung. GH: Überwachung, Validierung, Überprüfung und Bearbeitung. VM: Überwachung, Visualisierung, Überprüfung, Technik und Redaktion. TA: Überwachung, Visualisierung. MAK: Betreuung, Projektverwaltung, Visualisierung und Redaktion. MEMS: Projektverwaltung, Überwachung, Visualisierung und Bearbeitung. NMM und SZMS: Überprüfen und bearbeiten Sie das Manuskript.

Korrespondenz mit Mudasir Akbar Shah, Gasim Haider oder Nabisab Mujawar Mubarak.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Shah, MA, Hayder, G., Kumar, R. et al. Entwicklung nachhaltiger Biomasserückstände für Biokraftstoffanwendungen. Sci Rep 13, 14248 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41446-1

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Eingegangen: 22. Juni 2023

Angenommen: 26. August 2023

Veröffentlicht: 30. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41446-1

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