Object

Abstract:

In the global economy, there is a elear tendency to abandon the processing of non- renewable hydrocarbon raw materials and replace them with biomass. It would seem that the wastes of lignocellulosic biomass as natural products should not pose any problems connected with ecological threats during their energy processing. Numerous studies showed that, besides CO2, such harmful compounds as saturated and unsaturated hydrocarbons, compounds with carbonyl group, alcohols, and phenols are emitted in the composition of volatile products during biomass pyrolysis. Taking into account that pyrolysis is the first stage of combustion and gasification processes, a decrease in contribution of these compounds in the volatile products of pyrolysis becomes of prime importance. Therefore, this work was aimed at the explanation how selected technological factors influence the emission of dangerous compounds formed during biomass pyrolysis into the atmosphere and at the elaboration of methods of biomass processing to reduce the environmental risk. To achieve this goal, the thermal behaviour of several types of lignocellulosic biomass samples was studied along with the influence of selected technological factors (i.e. pre-extraction, densification, and organie additives) on the yield and composition of the formed pyrolysis products. The studied samples were pyrolyzed to the temperatures of 450 °C, 750 °C, and 1000 °C. The obtained pyrolysis products were characterized using thermogravimetric techniąues, microwave extraction, infrared and ultraviolet spectroscopies, scanning electron microscopy, and X-ray diffraction. On the basis of an analysis of the FTIR-ATR spectra, it was stated that there are analogous functional groups and groups of atoms present in the materiał extracted from unprocessed biomass and in the materiał condensed in methanol during pyrolysis. However, the contribution of these groups is different. It was shown that the initial extraction of urban greenery leaves with a mixture of chloroform and methanol (having a weight yield of 17- 22 %) during the pyrolysis of post-extraction residue makes it possible to reduce the contribution of hazardous compounds in the composition of volatile pyrolysis products to a significant extent in comparison with the pyrolysis of non-extracted leaves. It was determined that the densification of tested samples of agricultural biomass changes the contribution of environmentally hazardous compounds in the composition of volatile pyrolysis products in different ways. On the basis of a SEM visualization, it has been proven for the first time that densification exerts influence on the place of accumulation of inorganic components in the studied samples during the process of their pyrolysis in a distinct way. The differences in location of these components in pyrolyzed samples can lead to changes in interaction processes between the volatile products and the pyrolyzate. Their accumulation on the surface of densified samples can reduce the emission of saturated and unsaturated hydrocarbons, compounds with carbonyl groups, alcohols and phenols in the composition of volatile pyrolysis products. The influence of pre-extraction and densification on the occurrence of interactions between biomass components that cause changes in their thermal stability has been also demonstrated. The relationships observed during the research were confirmed by an extensive literaturę review on the interactions between main biomass components and between the pyrolyzate and the volatile products of pyrolysis along with the influence of inorganic components present in biomass and inorganic components added to biomass on such interactions.
It has been stated that the changes in thermal stability of the biomass components of pea husks take place under the influence of densification that changed the composition of volatile products by increasing the content of undesirable components. It was determined that the addition of 2 % wt. of novolac, coal tar pitch, and LDPE to densified pea husks modified the composition of volatile pyrolysis products without changing the thermal stability of components. In the blends of pea husks with novolac and coal tar pitch, there was a decrease in contribution of environmentally hazardous compounds registered in the entire temperaturę rangę during the process of pyrolysis up to 750 °C. The use of additives to densified pea husks changed the ordered structure of the pyrolyzates obtained at the temperaturę of 450 °C in their organie part and the composition in their inorganic part. These changes caused an inereased interaction between the solid phase (pyrolyzate) and the volatile products of pyrolysis of the blends at the temperatures above 450 °C, what caused the changes in yield of volatile products. The aforementioned interactions resulted in changes of the morphology of samples that were pyrolyzed at the temperaturę of 750 °C, the composition of residue that was formed on such surface, and inorganic components.
W gospodarce światowej obserwuje się wyraźną tendencję do rezygnacji z przetwarzania nieodnawialnych surowców węglowodorowych i zastępowania ich biomasą. Wydawałoby się, że odpady biomasy lignocelulozowej jako produkty naturalne nie powinny stwarzać zagrożenia ekologicznego podczas ich przetwórstwa energetycznego. Liczne badania wykazały, że oprócz CO2 podczas pirolizy biomasy w składzie lotnych produktów emitowane są takie szkodliwe związki takie jak nasycone i nienasycone węglowodory, związki z grupą karbonylową, alkohole i fenole. Biorąc pod uwagę, że piroliza jest pierwszym etapem procesów spalania i zgazowania, zmniejszenie udziału tych związków w lotnych produktach pirolizy nabiera pierwszorzędnego znaczenia. W związku z powyższym, celem niniejszej pracy było wyjaśnienie wpływu wybranych czynników technologicznych na emisję niebezpiecznych związków do atmosfery, powstających podczas procesu pirolizy biomasy oraz opracowanie takich sposobów jej przetwórstwa, których zastosowanie zmniejszy zagrożenie środowiskowe. Dla osiągnięcia tego celu przeanalizowano termiczne zachowanie kilku rodzajów próbek biomasy lignocelulozowej. Zbadano również wpływ wybranych czynników technologicznych tj. wstępnej ekstrakcji, zagęszczania i dodatków organicznych na wydajność i skład powstających produktów pirolizy. Badane próbki pirolizowano do temperatur 450°C, 750°C i 1000°C. Otrzymane produkty pirolizy charakteryzowano wykorzystując techniki termograwimetryczne, ekstrakcji mikrofalowej, spektroskopii w podczerwieni i ultrafiolecie, skaningowej mikroskopii elektronowej oraz dyfrakcji rentgenowskiej. Na podstawie analizy widm FTIR-ATR stwierdzono, że w materiale ekstrahowanym z biomasy nieprzetworzonej i w materiale skondensowanym w metanolu podczas pirolizy są obecne analogiczne grupy funkcyjne i ugrupowania atomów, lecz udział tych grup jest różny. Wykazano, że przeprowadzając ekstrakcję wstępną liści z drzew mieszaniną chloroformu i metanolu (z wydajnością na poziomie 17-22% wagowych) podczas pirolizy pozostałości poekstrakcyjnej da się istotnie obniżyć udział niebezpiecznych związków w składzie lotnych produktów pirolizy w porównaniu z pirolizą nieekstrahowanych liści. Ustalono, że zagęszczanie badanych próbek biomasy rolniczej zmienia udział niebezpiecznych dla środowiska związków w składzie lotnych produktów pirolizy w różny sposób. Po raz pierwszy na podstawie wizualizacji SEM udowodniono, że zagęszczanie w różny sposób wpływa na miejsce kumulacji składników nieorganicznych w badanych próbkach podczas procesu ich pirolizy. Różnice lokalizacji tych składników w pirolizowanych próbkach mogą wywoływać zmiany w interakcji między produktami lotnymi i pirolizatem. Ich kumulacja na powierzchni zagęszczonych próbek może spowodować zmniejszenie emisji nasyconych i nienasyconych węglowodorów, związków z grupą karbonylową oraz alkoholi i fenoli w składzie lotnych produktów pirolizy. Wykazano wpływ ekstrakcji wstępnej i zagęszczania na występowanie interakcji między składnikami biomasy, które powodują zmiany ich termicznej stabilności. Zauważone w trakcie badań zależności były potwierdzone poszerzoną kwerendą literatury w zakresie oddziaływań pomiędzy głównymi składnikami biomasy, między pirolizatem a lotnymi produktami pirolizy jak również wpływem na te oddziaływania obecnych w biomasie i dodawanych do niej składników nieorganicznych.
Stwierdzono występowanie zmian termicznej stabilności składników biomasy łusek grochu pod wpływem zagęszczania, które zmieniło skład lotnych produktów w kierunku zwiększenia niepożądanych składników. Ustalono, że dodanie do zagęszczonych łusek grochu 2% wagowych dodatków nowolaku, paku węglowego i LDPE nie zmieniło termicznej stabilności składników, a mimo to zmodyfikowało skład lotnych produktów pirolizy. W mieszankach łusek grochu z nowolakiem i pakiem węglowym zarejestrowano zmniejszenie udziału niebezpiecznych dla środowiska związków w całym zakresie temperatur podczas procesu pirolizy do 750°C. Przez wprowadzenie dodatków do zagęszczonych łusek grochu zmieniono strukturę uporządkowaną pirolizatów otrzymanych w temperaturze 450oC w ich części organicznej oraz skład w części nieorganicznej. Te zmiany spowodowały wzmożone oddziaływanie miedzy fazą stałą (pirolizatem) a lotnymi produktami pirolizy mieszanek w temperaturach powyżej 450°C, które skutkowało zmianami wydajności produktów lotnych. W efekcie wyżej wymienionych oddziaływań uległa zmianom morfologia powierzchni próbek pirolizowanych w temperaturze 750°C, skład powstałego na niej osadu i składników nieorganicznych.

Additional notes:

Zawiera bibliografię ; Zawiera ilustracje ; Streszcz. ang. ; Aneks

Identifier:

oai:bibliotekacyfrowa.ujk.edu.pl:10766

Computer catalogue:

click here to follow the link

Language:

pol

Degree name:

doktor

Date obtained:

27.03.2024

Degree grantor:

Uniwersytet Jana Kochanowskiego w Kielcach

Supervisor:

Zubkowa, Walentyna ; Strójwąs, Andrzej. Promotor pomocniczy

Reviewer:

Czaplicka, Marianna Barbara ; Galos, Krzysztof ; Niesler, Marian

Field:

Dziedzina nauk ścisłych i przyrodniczych

Scientific disciplines:

Nauki chemiczne

Faculty:

Wydział Nauk Ścisłych i Przyrodniczych

Type:

rozprawa doktorska

Access rights:

tylko w Oddziale Informacji Naukowej

Publication status:

niepublikowana