Εισαγωγή
Το άχυρο είναι ένας γενικός όρος για τα αλωνισμένα, αποξηραμένα στελέχη σιτηρών και τα φύλλα των φυτών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ελαίων και ινών. Εκτός από τη χρήση του στη γεωργία, το άχυρο έχει επίσης τη δυνατότητα να καταστεί σημαντικός ως φορέας ενέργειαςμε ουδέτερο ισοζύγιο CO2 στο μέλλον. Αποτελεί εξαιρετική μορφή βιομάζας επειδή είναι υποπροϊόν της αροτραίας καλλιέργειας. Σε αντίθεση με άλλα βιοκαύσιμα, δεν απαιτούνται ειδικά μέτρα ή πρόσθετη γη για την καλλιέργειά του. Η ιπτάμενη τέφρα από τη διαδικασία καύσης μπορεί επιπλέον να χρησιμοποιηθεί ως εδαφοβελτιωτικό για τις τοπικές γεωργικές εκμεταλλεύσεις.
Η θερμοβαρυτομετρική ανάλυση (TGA) ή η ταυτόχρονη θερμική ανάλυση (STA) που αναφέρεται στην ταυτόχρονη TGA και τη διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC) είναι ιδιαίτερα κατάλληλες για τη διερεύνηση των διαδικασιών πυρόλυσης ή καύσης. Μπορούν να ληφθούν γρήγορα πληροφορίες σχετικά με τη θερμική σταθερότητα κυρίως των στερεών καυσίμων όσον αφορά τις θερμοκρασίες αντίδρασης καθώς και την κινητική της καύσης. Επιπλέον, μπορεί να ποσοτικοποιηθεί η απώλεια μάζας κατά την πυρόλυση ή την καύση και η περιεκτικότητα σε τέφρα.
Η μέτρηση που περιγράφεται εδώ εξετάζει τη συμπεριφορά αποσύνθεσης του άχυρου [1]. Τα αέρια που αναπτύσσονται κατά την αποσύνθεση προσδιορίζονται μέσω φασματοσκοπίας FT-IR με τη χρήση του πλήρως ολοκληρωμένου συστήματος σύζευξης STA-FT-IR NETZSCH Perseus STA 449 (βλ. εικόνα 1).
Αποτελέσματα μέτρησης
Ένα δείγμα άχυρου σε σκόνη άγνωστης προέλευσης με αρχική μάζα 28,64 mg μετρήθηκε σε χωνευτήρι Pt με διάτρητο καπάκι με ρυθμό θέρμανσης 20 K/min. Η ατμόσφαιρα αερίου άλλαξε από καθαρό άζωτο σε αέρα στους 740°C (οι ρυθμοί ροής αερίου ήταν 70 ml/min). Κάτω από τους 740°C σημειώθηκαν τρία στάδια απώλειας μάζας 4,9%, 33,8% και 35,8%, τα οποία συνοδεύονταν από ένα ενδόθερμο και δύο επικαλυπτόμενα εξώθερμα φαινόμενα με ενθαλπίες 125 J/g και -115 J/g (βλέπε σχήμα 2). Κατά τη διάρκεια αυτών των βημάτων απώλειας μάζας, το σήμα Gram-Schmidt, το οποίο αντικατοπτρίζει το άθροισμα του συνόλου των απορροφήσεων FT-IR για όλους τους κυματαριθμούς, παρουσίασε μέγιστα στους 111°C, 302°C και 360°C, τα οποία συσχετίζονται καλά με την καμπύλη DTG. Ένα άλλο βήμα απώλειας μάζας 20,9% καθώς και ένα εξώθερμο αποτέλεσμα με συνολική ενθαλπία -7,79 kJ/g εμφανίστηκαν μετά τη μετάβαση στον αέρα στους 740°C. Τα αποτελέσματα αυτά οφείλονται στην καύση της λεγόμενης πυρολυτικής αιθάλης, αφήνοντας μια υπολειμματική μάζα 4,6%, η οποία αντικατοπτρίζει την περιεκτικότητα σε τέφρα.
Η τρισδιάστατη προβολή των φασμάτων FT-IR των αερίων που εξελίχθηκαν και συλλέχθηκαν κατά τη διάρκεια της αποσύνθεσης του άχυρου παρουσιάζεται στο σχήμα 3. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα φάσματα κάτω από τους 740°C, όπου έλαβε χώρα η πυρόλυση του δείγματος. Η έντονη απορρόφηση FT-IR σε υψηλότερες θερμοκρασίες οφείλεται στην απελευθέρωσηCO2 ως αποτέλεσμα της καύσης.
Τα εξελιγμένα είδη αερίων ταυτοποιήθηκαν συγκρίνοντας μεμονωμένα, εξαγόμενα δισδιάστατα φάσματα σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες με τα φάσματα library. Για παράδειγμα, το σχήμα 4 δείχνει ότι το φάσμα των αερίων που αναπτύχθηκαν στους 302°C είναι σύμφωνο με ένα μείγμα που περιέχειCO2, CO,H2Oκαι μυρμηκικό οξύ (HCOOH). Η εξέλιξη των επιμέρους ειδών αερίων κατά τη διάρκεια της αποσύνθεσης του δείγματος μπορεί να παρακολουθηθεί με την ολοκλήρωση ενός χαρακτηριστικού εύρους απορρόφησης FT-IR για τα μόρια και την επικάλυψη της καμπύλης των τιμών ολοκλήρωσης ως συνάρτηση της θερμοκρασίας με τις καμπύλες TGA και DTG από την ανάλυση. Η περιοχή μεταξύ 2200 και 2450 cm-1 ενσωματώθηκε γιατο CO2, μεταξύ 1950 και 2150 cm-1 για το CO, μεταξύ 1300 και 1600 cm-1 για τοH2Oκαι μεταξύ 1000-1150 cm-1 για το HCOOH.
Όπως φαίνεται από το σχήμα 5,το H2Oαπελευθερώθηκε κατά το1ο στάδιο απώλειας μάζας (εξάτμιση της υγρασίας) και κατά το2ο και3ο στάδιο απώλειας μάζας (πυρόλυση), κατά το οποίο αναπτύχθηκαν επίσης CO,CO2 και HCOOH. Το CH4 αναπτύχθηκε σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών με μέγιστο στους 534°C και τοCO2 ανιχνεύθηκε και πάλι πάνω από τους 740°C ως αποτέλεσμα της καύσης του δείγματος στον αέρα.
Συμπέρασμα
Επιδείχθηκε η χρήση του πολύ συμπαγούς συστήματος σύζευξης STA-FT-IR NETZSCH Perseus STA 449 για τον χαρακτηρισμό της πυρόλυσης και της καύσης του άχυρου [1]. Παρατηρήθηκε καλή συσχέτιση μεταξύ των ανιχνευόμενων βημάτων απώλειας μάζας και της εξέλιξης του αερίου, γεγονός που αποδεικνύει το πλεονέκτημα της άμεσης διεπαφής σύζευξης. Η ταυτοποίηση των αερίων που αναπτύσσονται μέσω μιας βάσης δεδομένων search επιτρέπει τη λεπτομερή ερμηνεία της χημείας που εμπλέκεται στα στάδια απώλειας μάζας που συνδέονται με την πυρόλυση, ιδίως.