Einleitung
Stroh ist der Oberbegriff für gedroschene, getrocknete Getreidehalme und Blätter von Pflanzen, die zur Herstellung von Ölen und Fasern genutzt werden. Neben der landwirtschaftlichen Nutzung besitzt Stroh das Potential, künftig ein wichtiger CO2-neutraler Energieträger zu werden. Als Nebenprodukt im Ackerbau stellt es eine ausgezeichnete Biomasse dar. Im Gegensatz zu anderen Biokraftstoffen werden für den Anbau keine speziellen Maßnahmen oder zusätzliches Ackerland benötigt. Die Flugasche des Verbrennungsprozesses kann auch als Biodünger wieder in der lokalen Landwirtschaft eingesetzt werden.
Die Thermogravimetrische Analyse (TG) oder Simultane Thermische Analyse (STA), die sich auf die Simultane TG und Dynamische Differenz-Kalorimetrie (DSC) bezieht, ist besonders geeignet zur Untersuchung von Pyrolyse- oder Verbrennungsprozessen. Aussagen über die Thermische StabilitätEin Material ist thermisch stabil, wenn es sich unter Temperatureinfluss nicht zersetzt. Eine Möglichkeit, die thermische Stabilität einer Substanz zu bestimmen ist die Verwendung eines TGA (thermogravimetrischer Analysator).thermische Stabilität der meist festen Brennstoffe, über Reaktionstemperaturen, aber auch über das kinetische Verhalten der Verbrennung können damit schnell erhalten werden. Desweiteren können der Massenverlust während der Pyrolyse oder Verbrennung und der AschegehaltAsche ist ein Maß für den Mineraloxidgehalt basierend auf dem Gewicht. Die thermogravimetrische Analyse (TGA) in oxidativer Atmosphäre ist eine bewährte Methode zur Bestimmung des anorganischen Rückstands, allgemein als Asche bezeichnet, in organischen Materialien wie Polymere, Kautschuke usw. Mittels TG-Messung lässt sich charakterisieren, ob ein Material gefüllt ist, und der gesamte Füllstoffgehalt kann berechnet werden.Aschegehalt quantifiziert werden.
Die hier diskutierte Messung zeigt das Zersetzungsverhalten von Stroh [1]. Dabei werden die während der Zersetzung freigesetzten Gase werden mittels FT-IR-Spektroskopie durch Einsatz des voll integrierten STA-FT-IR-Kopplungssystem NETZSCH Perseus STA 449 (siehe Abbildung 1) detektiert.
Messergebnisse
Eine pulverförmige Strohprobe unbekannter Herkunft mit einer ursprünglichen Masse von 28,64 mg wurde in einem Pt-Tiegel mit gelochtem Deckel bei einer Heizrate von 20 K/min aufgeheizt und gemessen. Bei 740 °C wurde die Gasatmosphäre von reinem Stickstoff auf Luft umgeschaltet (die Gasflussraten betrugen jeweils 70 ml/min). Unterhalb 740 °C traten drei Massenverluststufen von 4,9 %, 33,8 % und 35,8 % auf, begleitet von einem endothermen und zwei exothermen überlappenden Effekten mit Enthalpien von 125 J/g und insgesamt -115 J/g (siehe Abbildung 2). Während dieser Massenverluststufen zeigt das Gram-Schmid-Signal, das die Summe der gesamten FT-IR-Absorptionen für alle Wellenzahlen widerspiegelt, Maxima bei 111 °C, 302 °C und 360 °C, die gut mit der DTG-Kurve übereinstimmen. Eine weitere Massenverluststufe von 20,9 % sowie ein exothermer Effekt mit einer Gesamtenthalpie von -7,79 kJ/g traten nach dem Umschalten auf Luft bei 740 °C auf. Diese Beobachtung ist auf das Verbrennen des sogenannten Pyrolyserußes zurückzuführen; die Restmasse von 4,6 % spiegelt den AschegehaltAsche ist ein Maß für den Mineraloxidgehalt basierend auf dem Gewicht. Die thermogravimetrische Analyse (TGA) in oxidativer Atmosphäre ist eine bewährte Methode zur Bestimmung des anorganischen Rückstands, allgemein als Asche bezeichnet, in organischen Materialien wie Polymere, Kautschuke usw. Mittels TG-Messung lässt sich charakterisieren, ob ein Material gefüllt ist, und der gesamte Füllstoffgehalt kann berechnet werden.Aschegehalt wider.
Die 3-D-Ansicht der gesamten in Abbildung 3 gezeigten FT-IR-Daten von Stroh ist besonders unterhalb von 740 °C während der Pyrolyse der Probe interessant. Die starke FTIR-Absorption bei höheren Temperaturen ist auf die Freisetzung von CO2 aufgrund der Verbrennung zurückzuführen.
Durch einen Vergleich mit den Literaturdaten konnten die charakteristischen FT-IR-Absorptionsspektren vor und während dem Einsetzen der Pyrolyse identifiziert werden, wie exemplarisch für eine Temperatur in Abbildung 4 gezeigt. Bei 302 °C wurden die Permanentgase CO2, CO, H2O, aber auch organische Moleküle wie Ameisensäure (HCOOH) detektiert. Die Integration der FT-IR-Absorptionen über die Zeit (= Temperatur) im charakteristischen Wellenzahlenbereich wird durch so genannte Spuren dargestellt. Der Bereich zwischen 2200 and 2450 cm-1 wurde für CO2 integriert, zwischen 1950 und 2150 cm-1 für CO, zwischen 1300 und 1600 cm-1 für H2O und zwischen 1000 und 1150 cm-1 für HCOOH.
Wie aus Abbildung 5 ersichtlich ist, wurde während der 1. Massenverluststufe H2O freigesetzt (Entweichen von Feuchtigkeit) und während der 2. und 3. Massenverluststufen (Pyrolyse) CO und CO2, aber auch HCOOH. CH4 trat in einem großen Bereich mit einem Maximum bei 534 °C auf und CO2 wurde wiederum bei 740 °C infolge der Verbrennung in Luft detektiert.
Zusammenfassung
Die Einsatzmöglichkeiten des sehr kompakten STA-FT-IR-Kopplungssystems NETZSCH Perseus STA 449 konnten anhand der Pyrolyse der Biomasse Stroh [1] gut aufgezeigt werden. Es wurde eine gute Übereinstimmung zwischen den detektierten Massenverluststufen und den freigesetzten Gasen beobachtet, was die Vorteile der direkten Kopplungsschnittstelle herausstellt. Die Identifikation der entweichenden Gase mittels Datenbanksuche erlaubt eine detaillierte Interpretation der Massenverluststufen, insbesondere während der Pyrolyse der Probe.