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STA-FT-IR simultáneo en paja de biomasa

Introducción

La paja es un término genérico que designa los tallos trillados y secos de los cereales y las hojas de las plantas utilizadas para producir aceites y fibras. Además de su uso en la agricultura, la paja también tiene potencial para convertirse en el futuro en un importante vector energéticoneutro de CO2. Es una excelente forma de biomasa porque es un subproducto de la agricultura. A diferencia de otros biocombustibles, no requiere medidas especiales ni tierras adicionales para su cultivo. Además, las cenizas volantes procedentes de la combustión pueden utilizarse como abono para las explotaciones locales.

El análisis termogravimétrico (TGA) o el análisis térmico simultáneo (STA), que se refiere al TGA y la calorimetría diferencial de barrido (DSC) simultáneos, son especialmente adecuados para la investigación de los procesos de PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis o combustión. Se puede obtener rápidamente información sobre la Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica de la mayoría de los combustibles sólidos en términos de temperaturas de reacción, así como de cinética de combustión. Además, se puede cuantificar la pérdida de masa durante la PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis o la combustión y el contenido de cenizas.

La medición aquí descrita examina el comportamiento de descomposición de la paja [1]. Los gases desprendidos durante la descomposición se identifican mediante espectroscopia FT-IR utilizando el sistema de acoplamiento STA-FT-IR totalmente integrado NETZSCH Perseus STA 449 (véase la figura 1).

1) NETZSCH Perseus STA 449: El espectrómetro FT-IR Bruker tipo "Alpha" acoplado directamente a un analizador térmico simultáneo STA 449 Jupiter® equipado con un cambiador automático de muestras (ASC) opcional. El espacio de muestra del horno, la interfaz de acoplamiento calentada así como la célula de gas del espectrómetro FT-IR se muestran parcialmente transparentes para mostrar la trayectoria de los gases evolucionados [1].

Resultados de las mediciones

Se midió una muestra de paja en polvo de origen desconocido con una masa inicial de 28,64 mg en un crisol de Pt con tapa perforada a una velocidad de calentamiento de 20 K/min. La atmósfera de gas se cambió de nitrógeno puro a aire a 740°C (los caudales de gas fueron de 70 ml/min). Por debajo de 740°C, se produjeron tres fases de pérdida de masa del 4,9%, 33,8% y 35,8%, acompañadas de un efecto EndotérmicoA sample transition or a reaction is endothermic if heat is needed for the conversion.endotérmico y dos efectos exotérmicos superpuestos con entalpías de 125 J/g y -115 J/g (véase la figura 2). Durante estos pasos de pérdida de masa, la señal Gram-Schmidt, que refleja la suma de todas las absorbancias FT-IR para todos los números de onda, mostró máximos a 111°C, 302°C y 360°C que se correlacionan bien con la curva DTG. Tras el cambio a aire a 740°C se produjo otro escalón de pérdida de masa del 20,9%, así como un efecto ExotérmicoA sample transition or a reaction is exothermic if heat is generated.exotérmico con una entalpía total de -7,79 kJ/g. Estos efectos se deben a la combustión en el aire. Estos efectos se deben a la combustión del llamado hollín pirolítico, dejando una masa residual del 4,6%, que refleja el Contenido en cenizasThe ash is a measure of the mineral oxide content on a weight basis. Thermogravimetric analysis (TGA) in an oxidative atmosphere is a well-proven method to determine the inorganic residue, commonly referred to ash, in organic materials such as polymers, rubbers, etc. Therefore, the TGA measurement will identify if a material is filled and calculates the total filler content.contenido en cenizas.

2) Cambio de masa dependiente de la temperatura (TGA), tasa de cambio de masa (DTG, discontinua), tasa de flujo de calor (DSC) y señal de Gram-Schmidt (GS) de una muestra de paja. La atmósfera de gas se cambió de nitrógeno a aire a 740°C.

En la figura 3 se muestra la vista en 3-D de los espectros FT-IR de los gases evolucionados recogidos a lo largo de la descomposición de la paja. Resultan especialmente interesantes los espectros por debajo de 740°C, donde se produjo la PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis de la muestra. La fuerte absorbancia FT-IR a temperaturas más altas se debe a la liberación deCO2 como resultado de la combustión.

3) Absorbancia FT-IR dependiente del número de onda de la muestra de paja en función de la temperatura. La curva TGA correspondiente se muestra en el plano ZY posterior.

Las especies de gas evolucionadas se identificaron comparando los espectros bidimensionales individuales extraídos a temperaturas específicas con los espectros de la biblioteca. Por ejemplo, la figura 4 muestra que el espectro de los gases desprendidos a 302°C es coherente con una mezcla que contieneCO2, CO, H2Oy ácido fórmico (HCOOH). La evolución de las distintas especies de gas a lo largo de la descomposición de la muestra puede rastrearse integrando un rango de absorbancia FT-IR característico para las moléculas y superponiendo la curva de los valores de integración en función de la temperatura con las curvas TGA y DTG del análisis. Se integró el rango entre 2200 y 2450 cm-1 para elCO2, entre 1950 y 2150 cm-1 para el CO, entre 1300 y 1600 cm-1 para el H2Oy entre 1000-1150 cm-1 para el HCOOH.

4) Espectro FT-IR de la muestra de paja medida a 302°C junto con los espectros de la base de datos de CO2, CO, ácido fórmico HCOOH y H2O (de arriba a abajo). Los espectros se han reescalado y desplazado para mayor claridad.

Como puede observarse en la figura 5, se liberó H2Odurante laprimera etapa de pérdida de masa (evaporación de la humedad) y durante lasegunda ytercera etapas de pérdida de masa (PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis), durante las cuales también se evolucionó CO,CO2 y HCOOH. Se desprendió CH4 en un amplio intervalo de temperaturas, con un máximo a 534°C, y se volvió a detectarCO2 por encima de 740°C como resultado de la combustión de la muestra en aire.

5) Cambio de masa en función de la temperatura (TGA), tasa de cambio de masa (DTG) y trazas FT-IR para H2O, CO , CO2, ácido fórmico HCOOH y CH4 (cada traza en unidades arbitrarias individuales). La atmósfera de gas se cambió de nitrógeno a aire a 740°C.

Conclusión

Se demostró el uso del sistema de acoplamiento STA-FT-IR muy compacto NETZSCH Perseus STA 449 para caracterizar la PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis y combustión de paja [1]. Se observó una buena correlación entre los pasos de pérdida de masa detectados y la evolución de los gases, lo que demuestra la ventaja de una interfaz de acoplamiento directo. La identificación de los gases evolucionados mediante una búsqueda en la base de datos permite una interpretación detallada de la química implicada en los pasos de pérdida de masa asociados a la PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis, en particular.

Literature

  1. [1]
    A. Schindler, G. Neumann, A. Rager, E. Füglein, J.Blumm, T. Denner: J Thermal Anal Calorim, DOI 10.1007/s10973-013-3072-9(en línea y disponible gratuitamente en http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10973-013-3072-9