Разработка устойчивых остатков биомассы для использования в качестве биотоплива

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 14248 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Всестороннее понимание физико-химических свойств, поведения при термическом разложении и химического состава имеет важное значение для остатков биомассы перед их термохимической конверсией для производства энергии. В этом исследовании остатки соломы тефа (TS), кофейной шелухи (CH), кукурузных початков (CC) и стеблей сладкого сорго (SSS) были охарактеризованы для оценки их потенциального применения в качестве биоэнергетических и химических продуктов с добавленной стоимостью. Поведение термической деградации образцов CC, CH, TS и SSS рассчитывается с использованием четырех различных скоростей нагрева. Значения энергии активации варьировались от 81,919 до 262,238 и 85,737–212,349 кДж моль-1 и были получены с помощью моделей KAS и FWO и помогли понять процесс преобразования биомассы в биопродукты. Содержание целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина в CC, CH, TS и SSS находится в пределах 31,56–41,15%, 23,9–32,02% и 19,85–25,07% соответственно. Теплотворная способность остатков колебалась от 17,3 до 19,7 МДж/кг, что сопоставимо с сырой биомассой. Сканирующие электронные микрофотографии выявили агломерированную, неравномерную и шероховатую текстуру с параллельными линиями, обеспечивающими пути переноса питательных веществ и воды во всех образцах биомассы. Энергодисперсионные рентгеновские спектры и рентгеноструктурный анализ показали наличие высокоуглеродистого материала и кристаллической природы. Анализ FTIR выявил заметные пики полос при определенных волновых числах. На основании этих результатов можно сделать вывод, что эти остатки обладают потенциалом в качестве источников энергии для различных применений, таких как текстильная, пластмассовая, лакокрасочная, автомобильная промышленность и промышленность по производству пищевых добавок.

Из-за роста населения и последующего высокого спроса на энергию и экологических проблем правительственные и неправительственные учреждения требуют более строгой экологической ответственности за химические вещества, топливо и добычу энергии. Биотопливо и химические вещества, полученные из возобновляемых источников, имеют решающее значение для удовлетворения глобального спроса на энергию и снижения зависимости от ископаемого топлива. Доступность энергии, ее использование и экономическая эффективность играют важную роль в расширении развития во всем мире1,2. Сельскохозяйственные отходы и непитательная биомасса обладают значительным потенциалом для производства энергии после угля, природного газа и нефти3,4,5,6. Таким образом, биопроцессы могут производить множество энергоподобных продуктов и укреплять циркулярную биоэкономику7,8. Биотопливо решает экологические проблемы, топливную безопасность и приносит социально-экономические выгоды, облегчая зависимость от ископаемого топлива для устойчивого развития9. Ожидается, что бионефть, полученная из лигноцеллюлозной биомассы, будет играть значительную роль в будущем производстве топлива, поскольку она обладает более высокой плотностью энергии, чем биомасса10,11,12. Для обеспечения устойчивости производства биотоплива биоэнергетика связана с идеей целостной экономики замкнутого цикла во всем мире. Биопроцессы включают обработку, отбор и преобразование сырья в продукты с добавленной стоимостью, такие как биоэнергетика и химические вещества. Эллиот13 обнаружил, что химические вещества, полученные в результате биоэнергетического процесса, используются в различных областях, таких как текстильная промышленность, производство пластмасс, красок, автомобилей и пищевых добавок. Биомасса в основном относится к лесным и сельскохозяйственным отходам, наиболее благоприятному сырью с точки зрения их теплотворной способности, низкой стоимости и доступности14. Остатки биомассы могут быть преобразованы в энергоносители с использованием биохимических или термохимических путей преобразования15,16,17.

Остатки соломы тефа (TS), кофейной шелухи (CH), кукурузных початков (CC) и стеблей сахарного сорго (SSS) представляют собой сельскохозяйственные отходы, полученные в результате переработки тефа, кукурузы, сладкого сорго и кофе, как показано на рис. 1. Тефф. Солома [Eragrostis tef (Zuccagni.) Trotter], местно известная как чед, производится из зерна тефа, который в основном встречается в Эритрее, Северной Кении и Эфиопии18. Он состоит из 25% зерен тефа и 75% соломы из тефа, а годовой объем производства составляет 4,3 миллиона и 13 миллионов тонн соответственно19,20. Солома теффа считается питательным кормом для жвачных животных по сравнению с другими злаками21,22.