Wprowadzenie
Słoma to ogólny termin określający wymłócone, wysuszone łodygi zbóż i liście roślin wykorzystywanych do produkcji olejów i włókien. Oprócz zastosowania w rolnictwie, słoma ma również potencjał, aby w przyszłości stać się ważnym nośnikiem energiineutralnym pod względem emisji CO2. Jest to doskonała forma biomasy, ponieważ jest produktem ubocznym upraw rolnych. W przeciwieństwie do innych biopaliw, do jej uprawy nie są wymagane żadne specjalne środki ani dodatkowe grunty. Popiół lotny z procesu spalania może być ponadto wykorzystywany jako nawóz glebowy w lokalnych gospodarstwach rolnych.
Analiza termograwimetryczna (TGA) lub jednoczesna analiza termiczna (STA), która odnosi się do jednoczesnej TGA i różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC), są szczególnie odpowiednie do badania procesów pirolizy lub spalania. Szybko można uzyskać informacje na temat stabilności termicznej głównie paliw stałych w zakresie temperatur reakcji, a także kinetyki spalania. Ponadto można określić ilościowo utratę masy podczas pirolizy lub spalania oraz Zawartość popiołuPopiół jest miarą zawartości tlenków mineralnych w przeliczeniu na masę. Analiza termograwimetryczna (TGA) w atmosferze utleniającej jest sprawdzoną metodą określania pozostałości nieorganicznych, powszechnie określanych jako popiół, w materiałach organicznych, takich jak polimery, gumy itp. Dlatego pomiar TGA pozwala określić, czy materiał jest wypełniony i obliczyć całkowitą zawartość wypełniacza.zawartość popiołu.
Opisany tutaj pomiar bada zachowanie słomy podczas rozkładu [1]. Gazy powstające podczas rozkładu są identyfikowane za pomocą spektroskopii FT-IR przy użyciu w pełni zintegrowanego systemu sprzęgającego STA-FT-IR NETZSCH Perseus STA 449 (patrz rysunek 1).
Wyniki pomiarów
Sproszkowana próbka słomy niewiadomego pochodzenia o masie początkowej 28,64 mg została zmierzona w tyglu Pt z przebitą pokrywą przy szybkości ogrzewania 20 K/min. Atmosfera gazowa została zmieniona z czystego azotu na powietrze w temperaturze 740°C (natężenie przepływu gazu wynosiło 70 ml/min). Poniżej temperatury 740°C wystąpiły trzy stopnie utraty masy wynoszące 4,9%, 33,8% i 35,8%, którym towarzyszył jeden efekt EndotermicznyPrzemiana próbki lub reakcja jest endotermiczna, jeśli do konwersji potrzebne jest ciepło.endotermiczny i dwa nakładające się efekty egzotermiczne o entalpiach 125 J/g i -115 J/g (patrz rysunek 2). Podczas tych etapów utraty masy sygnał Grama-Schmidta, odzwierciedlający sumę wszystkich absorbancji FT-IR dla wszystkich długości fali, wykazał maksima w 111°C, 302°C i 360°C, które dobrze korelują z krzywą DTG. Kolejny etap utraty masy o 20,9%, jak również efekt EgzotermicznyPrzejście próbki lub reakcja jest egzotermiczna, jeśli generowane jest ciepło.egzotermiczny z całkowitą entalpią -7,79 kJ/g wystąpił po przełączeniu na powietrze w temperaturze 740°C. Efekty te wynikają ze spalania tak zwanej sadzy pirolitycznej, pozostawiając masę resztkową 4,6%, która odzwierciedla Zawartość popiołuPopiół jest miarą zawartości tlenków mineralnych w przeliczeniu na masę. Analiza termograwimetryczna (TGA) w atmosferze utleniającej jest sprawdzoną metodą określania pozostałości nieorganicznych, powszechnie określanych jako popiół, w materiałach organicznych, takich jak polimery, gumy itp. Dlatego pomiar TGA pozwala określić, czy materiał jest wypełniony i obliczyć całkowitą zawartość wypełniacza.zawartość popiołu.
Widok 3-D widm FT-IR uwolnionych gazów zebranych podczas rozkładu słomy pokazano na rysunku 3. Szczególnie interesujące są widma poniżej 740°C, gdzie nastąpiła PirolizaPiroliza to termiczny rozkład związków organicznych w atmosferze obojętnej.piroliza próbki. Silna absorbancja FT-IR w wyższych temperaturach jest spowodowana uwalnianiemCO2 w wyniku spalania.
Wydzielone gatunki gazów zostały zidentyfikowane poprzez porównanie poszczególnych, wyodrębnionych widm 2-D w określonych temperaturach z widmami library. Na przykład rysunek 4 pokazuje, że widmo gazów wydzielających się w temperaturze 302°C jest zgodne z mieszaniną zawierającąCO2, CO,H2Oi kwas mrówkowy (HCOOH). Ewolucję poszczególnych gatunków gazów w trakcie rozkładu próbki można prześledzić poprzez całkowanie charakterystycznego zakresu absorbancji FT-IR dla cząsteczek i nałożenie krzywej wartości całkowania w funkcji temperatury na krzywe TGA i DTG z analizy. Zakres między 2200 a 2450 cm-1 został zintegrowany dlaCO2, między 1950 a 2150 cm-1 dla CO, między 1300 a 1600 cm-1 dlaH2Oi między 1000-1150 cm-1 dla HCOOH.
Jak widać na rysunku 5,H2Ozostał uwolniony podczas1. etapu utraty masy (OdparowanieOdparowanie pierwiastka lub związku jest przejściem fazowym z fazy ciekłej do pary. Istnieją dwa rodzaje parowania: parowanie i wrzenie.odparowanie wilgoci) oraz podczas2. i3. etapu utraty masy (PirolizaPiroliza to termiczny rozkład związków organicznych w atmosferze obojętnej.piroliza), podczas którego wydzieliły się również CO,CO2 i HCOOH. CH4 wydzielał się w szerokim zakresie temperatur z maksimum w 534°C, aCO2 został ponownie wykryty powyżej 740°C w wyniku spalania próbki w powietrzu.
Wnioski
Zademonstrowano zastosowanie bardzo kompaktowego systemu sprzęgającego STA-FT-IR NETZSCH Perseus STA 449 do charakteryzowania pirolizy i spalania słomy [1]. Zaobserwowano dobrą korelację między wykrytymi etapami utraty masy a wydzielaniem gazu, co pokazuje zalety bezpośredniego interfejsu sprzęgającego. Identyfikacja wydzielanych gazów za pomocą bazy danych search pozwala na szczegółową interpretację chemii zaangażowanej w etapy utraty masy związane z pirolizą, w szczególności.