Optimalizace přípravy uhlíkatých materiálů ze zemědělské biomasy v mikrovlnném poli

Petra Cichoňová

Bachelor's thesis

Optimization of preparation of carbon-based materials from agricultural biomass in microwave field

Abstract:

Bakalářská práce se zabývá přípravou uhlíkatých materiálů mikrovlnnou pyrolýzou dvou odpadních zemědělských surovin – kukuřičného klasu a jader plodů mombínu červeného. Jsou studovány termo-chemické vlastnosti obou odpadních surovin. Optimalizací jednotlivých parametrů přípravy/mikrovlnné pyrolýzy (tj. hmotnosti vsádky suroviny - 20 g versus 60 g, atmosféry dusíku – průtočně versus vsádkově a přídavku aktivačního činidla ZnCl2) jsou získány biouhly a aktivní uhlíky, je charakterizováno jejich prvkové a chemické složení, texturní a strukturní vlastnosti. Je rovněž hodnocen vliv jednotlivých parametrů přípravy/mikrovlnné pyrolýzy u obou odpadních surovin na složení pyrolýzního plynu. Bylo zjištěno, že obě suroviny mají podobné prvkové složení a rovněž obsahují stejné množství fixního uhlíku a prchavé hořlaviny, kukuřičný klas však obsahuje více popela a méně vlhkosti než jádra plodů mombínu červeného. Biouhly připravené z kukuřičného klasu mají menší obsah fixního uhlíku a vyšší obsah popela než biouhly připravené z jader plodů mombínu červeného. Přídavek aktivačního činidla ZnCl2 ke kukuřičnému klasu bez ohledu na vsádku snižuje množství fixního uhlíku a zvyšuje množství prchavé hořlaviny v připraveném aktivním uhlíku, což svědčí o tom, že pyrolýza této aktivované suroviny v mikrovlnném poli by mohla probíhat o pár minut déle. Přídavek aktivačního činidla ZnCl2 k jádrům plodů mombínu červeného ve 20 g vsádce snižuje množství fixního uhlíku a zvyšuje množství prchavé hořlaviny, což indikuje k prodloužení doby pyrolýzy, v 60 g vsádce snižuje množství fixního uhlíku a zvyšuje množství popela v aktivním uhlíku, což indikuje buď strukturní změny nebo nedostatečné vymytí aktivátoru přecházejícího do popela. Zatímco biouhly z obou surovin jsou mikroporézní materiály s nehomogenní nízkopovrchovou síti mesopórů/makropórů, aktivní uhlíky jsou vysoce mikroporézní-mesoporézní materiály. Přídavek aktivačního činidla ZnCl2 k oběma surovinám přispívá k vytvoření rozsáhlé vysokopovrchové sítě mesopórů (zejména s velikostí < 20 nm) a zvětšení velikosti mikropórů aktivních uhlíků, významnější vliv na objem mikropórů však nemá. Lepší texturní vlastnosti vykazují biouhly z kukuřičného klasu, ale aktivní uhlíky z jader plodů mombínu červeného. Míru grafitizace uhlíkatých materiálů nelze jednoznačně zhodnotit. Co se týče složení pyrolýzního plynu, přídavek aktivačního činidla ZnCl2 k oběma surovinám vede ke zvýšení produkce H2 a snížení produkce CH4. Změna hmotnosti vsádky suroviny s aktivátorem (z 20 g na 60 g) vede ke zvýšení produkce CO2 a snížení produkce CO.

Abstract:

This bachelor thesis deals with preparation of carbonaceous materials by microwave pyrolysis of two waste agricultural raw materials - corn cob and red mombin seeds. Thermo-chemical properties of both raw materials are studied. Via optimizing of individual parameters of preparation/microwave pyrolysis (i.e. weight of raw material batch - 20 g versus 60 g, nitrogen atmosphere - flow versus batch and addition of activating agent ZnCl2) biochars and activated carbons are prepared, their elemental and chemical composition, textural and structural properties are characterized. The effect of individual parameters of preparation/microwave pyrolysis of both waste raw materials on the composition of pyrolytic gas is also evaluated. It was revealed that both raw materials possess similar elemental composition and contain the same amount of fixed carbon and volatile combustibles, but the corn cob contains more ash and less moisture than red mombin seeds. Biochars prepared from corn cob show lower fixed carbon content and higher ash content than biochars prepared from red mombin seeds. The addition of activating agent ZnCl2 to corn cob, regardless of the raw material mass, reduces the fixed carbon content and increases the volatile combustibles content in prepared activated carbon, suggesting that pyrolysis of this activated feedstock in a microwave field could take few minutes longer. The addition of ZnCl2 to red mombin seeds in 20 g batch reduces the fixed carbon amount and increases the volatile combustibles amount, which indicates prolonged pyrolysis time, in 60 g batch reduces the fixed carbon amount and increases the ash amount, indicating carbon structural changes or insufficient removal of activator transferred to ash. While biochars from both raw materials are microporous materials with inhomogeneous low-surface mesopore/macropore network, activated carbons are highly microporous-mesoporous materials. The addition of ZnCl2 to both raw materials contributes to formation of extensive high-surface mesopore network (with pore-size < 20 nm) and enlargement of micropore-size of activated carbons, but does not affect the micropore volume. Biochars from corn cob, but activated carbons from red mombin seeds are the best from the texture view. The rate of carbon graphitization cannot be clearly evaluated. Regarding the composition of pyrolytic gas, the addition of ZnCl2 to both raw materials leads to the increase in H2 production and decrease in CH4 production. Changing the weight of raw material with activator (from 20 g to 60 g) leads to the increase in CO2 production.

Keywords

zemědělská biomasa, kukuřičný klas, jádra plodů mombínu červeného (Spondia purpurea), mikrovlnná pyrolýza, biouhel, aktivní uhlík, porozita, pyrolýzní plyn

Keywords

agricultural biomass, corn cob, red mombin seeds (Spondia purpurea seeds), microwave pyrolysis, biochar, activated carbon, porosity, pyrolytic gas

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 4. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 8. 6. 2021
• Supervisor: Lenka Matějová
• Reader: Barbora Grycová

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta materiálově-technologická

Bachelor programme / field:
Procesní inženýrství / Chemie a technologie ochrany životního prostředí