Einleitung
Biomasse wird heutzutage immer mehr als Alternative zu konventionellen Energielieferanten verwendet. Als großer Vorteil dabei wird die „CO2-Neutralität“ beschrieben. Holz gehören zu den wichtigsten nachwachsenden Rohstoffen.
Die Hauptbestandteile von Holz sind Cellulose, Hemicellulose und Lignin.
Tabelle 1: TG-Messparameter
| Temperaturbereich | RT bis 500°C |
| Heizrate | 10 K/min |
| Atmosphäre | Helium |
| Durchflussrate | 65 ml/min |
| Probenhalter | Probenträger für korrosive Gase |
| Tiegel | Al2O3 (85 μl) |
| Probenmasse | 6.9 mg |
Tabelle 2: GC-MS-Messparameter
| Parameter | Quasi-kontinuierlicher Modus | Ereignis-kontrollierter Modus |
|---|---|---|
| Säule | Agilent HP-5ms | Agilent HP-5ms |
| Säulenlänge | 30 m | 30 m |
| Säulendurchmesser | 0.25 mm | 0.25 mm |
| Ofentemperatur | 150°C | 100°C bis 310°C (10 K/min) |
| Gas | Helium | Helium |
| Gasfluss (Split) | 20 ml/min (10:1) | 20 ml/min (10:1) |
| Säulenfluss | 2 ml/min | 2 ml/min |
| Ventil | jede 2 min | 1x pro Ereignis |
Quasi-kontinuierlicher Modus
Die simultane Kopplung der TG an das GC-MS ermöglicht die einfache Korrelation der ausgasenden Substanzen mit der Temperatur.
Die Pyrolyse von Kiefernholz verläuft in drei Stufen (Abbildung 2). Die erste Stufe ist die Abgabe des enthaltenen Wassers. Die Hauptzersetzung des Holzes findet ab ca. 300 °C statt. Hierbei werden zuerst die Cellulosebestandteile zersetzt, danach die Ligninkomponenten.
Analog der DTG-Kurve ist im Totalionenchromatogramm die Hauptzersetzung ab 300 °C zu erkennen.
Die Vergrößerung des TIC in diesem Bereich ist in Abbildung 3 dargestellt, sowie die bei den Peaks detektierten Substanzen in Tabelle 3.
Tabelle 3: Detektierte Moleküle und ihre Retentionszeiten
| Zeit/min | Molekül | Molmasse | Massenzahlen |
|---|---|---|---|
| 35.138 | Aceton | 58 | 58 |
| 35.164 | 1,2,3-Thiadiazol | 86 | 58, 86 |
| 35.172 | 2-Methylfuran | 82 | 82, 81, 53 |
| 35.189 | 2-Methyl-Mannomethylpyranosid | 178 | 60, 74 |
| 35.223 | 2-Butenal, 2-Methyl | 84 | 55, 84 |
| 35.240 | Thiophen | 84 | 84, 58, 45 |
| 35.265 | Furan, 2,3-Dihydro-5-Methyl | 84 | 84, 55, 69 |
| 35.290 | Furfural | 96 | 96, 95 |
| 35.299 | 1H-Pyrazol, 1,3-Dimethyl | 96 | 96, 81, 68, 54 |
| 35.308 | 2,5-Dimethylfuran | 96 | 96, 95, 81, 53 |
| 35.409 | 2(5H)-Furanon | 84 | 55, 84, 70 |
| 35.426 | 2H-Pyran, 3,4-Dihydro | 84 | 55, 84, 69 |
Einzelne Massenzahlen, in Abhängigkeit von der Temperatur, sind für das Kiefernholz in Abbildung 4 dargestellt.
Ereignis-gesteuerter Modus
Um die entstehenden Substanzen noch etwas genauer beurteilen zu können, wurde die TG-GC-MS Messung im Ereignis-gesteuerten Modus durchgeführt (Abbildung 5). Hierbei wurden bei bestimmten Temperaturen einzelne Chromatogramme aufgenommen.
Abbildung 6 zeigt das Chromatogramm bei 350 °C. Die bei den entsprechenden Retentionszeiten gemessenen Substanzen sind in Tabelle 4 dargestellt.
Tabelle 4: Detektierte Moleküle bei 350 °C und ihre Retentionszeiten
| Retentionszeit/min | Substanz |
|---|---|
| 1.047 | CO2 |
| 1.088 | 3(2H)-Furanon, Dihydro-2-Methyl |
| 1.124 | 1-Propanol |
| 1.197 | 1-Hydroxy-2-Propanone |
| 1.305 | 2(5H)-Furanon |
| 1.330 | Essigsäure, Methylester |
| 1.370 | Aceton |
| 1.424 | 4H-1,2,4-Tiazol, 4-Amino |
| 1.528 | Fufural |
| 1.576 | 2-Furanmethanol |
| 1.888 | 2(3H)-Furanon, 5-Methyl |
| 3.073 | Phenol, 2-Methoxy |
| 4.150 | Phenol, 2-Methyoxy-4-Methyl |