مقدمة
القش هو مصطلح عام يطلق على سيقان الحبوب المجففة المدروسة وأوراق النباتات المستخدمة لإنتاج الزيوت والألياف. وبالإضافة إلى استخدامه في الزراعة، يمكن أن يصبح القش أيضاً مهماً كحامل طاقة محايد لثاني أكسيد الكربون في المستقبل. وهو شكل ممتاز من أشكال الكتلة الحيوية لأنه منتج ثانوي للزراعة الصالحة للزراعة. وخلافاً لأنواع الوقود الحيوي الأخرى، لا يلزم اتخاذ تدابير خاصة أو أراضٍ إضافية لزراعته. علاوة على ذلك، يمكن استخدام التبن المتطاير الناتج عن عملية الحرق كسماد للتربة في المزارع المحلية.
ويعد التحليل الحراري الثيرموغرافي، أو التحليل الحراري المتزامن الذي يشير إلى التحليل الحراري المتزامن (TGA) أو التحليل الحراري المتزامن (STA) الذي يشير إلى التحليل الحراري المتزامن وقياس المسعر بالمسح التفاضلي (DSC) مناسبين بشكل خاص للتحقيق في عمليات الانحلال الحراري أو الاحتراق. ويمكن الحصول بسرعة على معلومات حول الاستقرار الحراري للوقود الصلب في الغالب من حيث درجات حرارة التفاعل وكذلك حركية الاحتراق. وعلاوة على ذلك، يمكن قياس فقدان الكتلة أثناء الانحلال الحراري أو الاحتراق ومحتوى الرماد.
يفحص القياس الموصوف هنا سلوك تحلل القش [1]. يتم تحديد الغازات المتصاعدة أثناء التحلل عن طريق التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء FT-IR باستخدام نظام الاقتران STA-FT-IR المدمج بالكامل NETZSCH Perseus STA 449 (انظر الشكل 1).
نتائج القياس
تم قياس عينة من القش المسحوق من أصل غير معروف بكتلة أولية قدرها 28.64 مجم في بوتقة Pt ذات غطاء مثقوب بمعدل تسخين 20 كلفن/دقيقة. تم تغيير جو الغاز من النيتروجين النقي إلى الهواء عند درجة حرارة 740 درجة مئوية (كانت معدلات تدفق الغاز 70 مل/دقيقة). تحت درجة حرارة 740 درجة مئوية، حدثت ثلاث خطوات لفقدان الكتلة بنسبة 4.9% و33.8% و35.8% مصحوبة بتأثيرات ماصة للحرارة وتأثيرين طاردين للحرارة متداخلين مع إنثالبي 125 جول/ج و- 115 جول/ج (انظر الشكل 2). خلال خطوات فقدان الكتلة هذه، أظهرت إشارة جرام-شميت، التي تعكس مجموع امتصاصات الأشعة تحت الحمراء FT-IR بأكملها لجميع أرقام الموجات الموجية، درجات قصوى عند 111 درجة مئوية و302 درجة مئوية و360 درجة مئوية والتي ترتبط جيدًا بمنحنى DTG. وحدثت خطوة أخرى لفقدان الكتلة بنسبة 20.9% بالإضافة إلى تأثير طارد للحرارة مع إنثالبي كلي يبلغ -7.79 كيلوجول/غرام بعد التحول إلى الهواء عند درجة حرارة 740 درجة مئوية. ترجع هذه التأثيرات إلى احتراق ما يسمى بالسخام المتحلل بالحرارة، تاركًا كتلة متبقية بنسبة 4.6%، وهو ما يعكس محتوى الرماد.
يظهر في الشكل 3 عرض ثلاثي الأبعاد لأطياف الأشعة تحت الحمراء للأشعة تحت الحمراء للغازات المتطايرة التي تم جمعها خلال عملية تحلل القش. وتكتسب الأطياف التي تقل درجة حرارتها عن 740 درجة مئوية أهمية خاصة حيث حدث الانحلال الحراري للعينة. ويرجع الامتصاص القوي للأشعة تحت الحمراء FT-IR عند درجات الحرارة المرتفعة إلى انبعاث ثاني أكسيد الكربون نتيجة الاحتراق.
تم تحديد أنواع الغازات المتطورة من خلال مقارنة الأطياف الفردية ثنائية الأبعاد المستخرجة عند درجات حرارة محددة مع أطياف المكتبة. على سبيل المثال، يوضِّح الشكل 4 أن طيف الغازات المتطايرة عند درجة حرارة 302 درجة مئوية يتوافق مع خليط يحتوي على CO2 وCO2O وH2Oوحمض الفورميك (HCOOOH). ويمكن تتبُّع تطور أنواع الغازات المنفردة على مدار تحلل العينة من خلال دمج نطاق الامتصاص المميز للأشعة تحت الحمراء FT-IR للجزيئات وتراكب منحنى قيم التكامل كدالة لدرجة الحرارة مع منحنيات TGA وDTG من التحليل. تم تكامل النطاق بين 2200 و2450 سم-1لثاني أكسيد الكربون، وبين 1950 و2150 سم-1 لثاني أكسيد الكربون، وبين 1300 و1600 سم-1 لـ H2Oوبين 1000-1150 سم-1 لـ HCOOH.
كما يتضح من الشكل 5، تم إطلاق H2Oخلال خطوة فقدان الكتلةالأولى (تبخر الرطوبة) وخلال خطوة فقدان الكتلةالثانيةوالثالثة (الانحلال الحراري)، حيث تم خلالها أيضًا تطور ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون وHCOOH. تطوّر الميثان CH4 على نطاق واسع من درجات الحرارة بحد أقصى عند 534 درجة مئوية، وتم اكتشاف ثاني أكسيد الكربون مرة أخرى فوق 740 درجة مئوية نتيجة احتراق العينة في الهواء.
الخاتمة
تم عرض استخدام نظام الاقتران المدمج للغاية STA-FT-الأشعة تحت الحمراء NETZSCH Perseus STA 449 لتوصيف الانحلال الحراري واحتراق القش [1]. ولوحظ وجود ارتباط جيد بين خطوات فقدان الكتلة المكتشفة وتطور الغازات مما يدل على ميزة واجهة الاقتران المباشر. ويسمح تحديد الغازات التي تطورت عن طريق البحث في قاعدة البيانات بتفسير مفصل للكيمياء المتضمنة في خطوات فقدان الكتلة المرتبطة بالتحلل الحراري، على وجه الخصوص.