คุณลักษณะทางเคมีฟิสิกส์และจลนศาสตร์การสลายตัวทางความร้อนของใบอ้อยโดยใช้การวิเคราะห์เทอร์โมกราวิเมตริก
คำสำคัญ:
ใบอ้อย, เชื้อเพลิงชีวภาพ, จลนศาสตร์, การสลายตัวทางความร้อน, การวิเคราะห์เทอร์โมกราวิเมตริกบทคัดย่อ
งานวิจัยนี้ศึกษาคุณลักษณะด้านเชื้อเพลิง จลนศาสตร์และพฤติกรรมการสลายตัวทางความร้อนของใบอ้อย (พันธุ์ขอนแก่น 3) เพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงชีวภาพแข็ง โดยวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมี องค์ประกอบแบบประมาณ องค์ประกอบแบบละเอียด ค่าความร้อนสูง หมู่ฟังก์ชันของสารอินทรีย์ และจลนศาสตร์การสลายตัวทางความร้อนด้วยวิธีวิเคราะห์เทอร์โมกราวิเมตริก (Thermogravimetric analysis) แบบนอนไอโซเทอร์มอล (Non-isothermal) ภายใต้บรรยากาศของก๊าซไนโตรเจน ในช่วงอุณหภูมิ 25-800 องศาเซลเซียส ที่อัตราการให้ความร้อนคงที่ 3 ระดับคือ 5 10 และ 20 องศาเซลเซียสต่อนาที โดยใช้ 2 แบบจำลองคือ Kissinger-Akahira-Sunose (KAS) และ Flynn-Wall-Ozawa (FWO) ผลการศึกษาพบว่า ใบอ้อยมีองค์ประกอบเซลลูโลสมากที่สุด (ร้อยละ 41.41) รองลงมาคือ
เฮมิเซลลูโลส (ร้อยละ 36.68) และลิกนินมีค่าน้อยที่สุด (ร้อยละ 6.39) ปริมาณคาร์บอนคงตัว สารระเหย เถ้า และค่าความร้อนสูงของใบอ้อยมีค่าร้อยละ 14.38 69.63 9.04 และ 17.76 เมกะจูลต่อกิโลกรัม ตามลำดับ อัตราส่วนอะตอมของออกซิเจนต่อคาร์บอน (O/C) และไฮโดรเจนต่อคาร์บอน (H/C) ของใบอ้อยมีค่าเป็น 0.77 และ 1.64 ตามลำดับ อีกทั้งพบความเข้มของพีคการสั่นของหมู่ไฮดรอกซิลจึงจำเป็นที่จะต้องปรับปรุงคุณภาพก่อนนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงแข็ง ผลการคำนวณค่าพลังงานก่อกัมมันต์เฉลี่ยด้วยแบบจำลอง KAS และ FWO พบว่ามีค่าเฉลี่ยใกล้เคียงกัน คือ 197.66 และ 197.88 กิโลจูลต่อโมล ตามลำดับ
เอกสารอ้างอิง
Abu Ghalia, M. and Dahman, Y. 2017. 15-Synthesis and utilization of natural fiber-reinforced poly (lactic acid) bionanocomposites, pp. 313-345. In Jawaid, M., Md Tahir, P. and Saba, N., eds. Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering. Woodhead Publishing, Sawston, UK.
Ahmad, R., Hamidin, N. and Md Ali, U.F. 2013. Effect of dolomite on pyrolysis of rice straw. Advanced Materials Research 795: 170-173.
Alias, N., Ibrahim, N., Hamid, M.K., Hasbullah, H., Ali, R.R., Sadikin, A.N. and Asli, U.A. 2014. Thermogravimetric analysis of rice husk and coconut pulp for potential biofuel production by flash pyrolysis. The Malaysian Journal of Analytical Sciences 18(3): 705-710.
Arranz, J.I., Miranda, M.T., Montero, I. and Sepulveda, F.J. 2021. Thermal Study and Emission Characteristics of Rice Husk Using TG-MS. Materials 14(20): 6203.
Barzegar, R., Yozgatligil, A., Olgun, H. and Atimtay, A.T. 2020. TGA and kinetic study of different torrefaction conditions of wood biomass under air and oxy-fuel combustion atmospheres. Journal of the Energy Institute 93(3): 889-898.
Brachi, P., Miccio, F., Miccio, M. and Ruoppolo, G. 2016. Torrefaction of tomato peel residues in a fluidized bed of inert particles and a fixed-bed reactor. Energy Fuels 30: 4858-4868.
Cai, J., Wu, W., Liu, R. and Huber, G.W. 2013. A distributed activation energy model for the pyrolysis of lignocellulosic biomass. Green Chemistry 15(5): 1331-1340.
Castellanos, A., Monteiro de Pinho, J., Leiroz, A. and Cruz, M. 2012. Detailed one-dimensional model for biomass gasification in a bubbling fluidized bed, pp. 1-8. In 14th Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering. Universidade Federal Fluminense, Rio de Janeiro, Brazil.
Chatrattanawet, N., Kanjanasorn, W., Authayanun, S., Saebea, D. and Patcharavorachot, Y. 2018. Biomass Steam Gasification of Sugarcane Leftover for Green Diesel Production. Chemical Engineering Transactions 70: 1693-1698.
Ciuta, S., Patuzzi, F., Baratieri, M. and Castaldi, M.J. 2014. Biomass energy behavior study during pyrolysis process by intraparticle gas sampling. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 108: 316-322.
Demirbas, A. 2001. Relationships between lignin contents and heating values of biomass. Energy Conversion and Management 42(2): 183-188.
Dhyani, V. and Bhaskar, T. 2018. A comprehensive review on the pyrolysis of lignocellulosic biomass. Renewable Energy 129: 695-716.
Dietenberger, M.A. and Hasburgh, L.E. 2016. Wood Products: Thermal Degradation and Fire, pp. 9712-9716. In White, R.H. and Dietenberger, M.A., eds. Encyclopedia of Materials: Science and Technology. USDA Forest Products Laboratory, Madison, WI, USA.
Doyle, C.D. 1962. Estimating isothermal life from thermogravimetric data. Journal of Applied Polymer Science 6(24): 639-642.
Franco, H.C.J., Pimenta, M.T.B., Carvalho, J.L.N., Graziano Magalhaes, P.S., Rossell, C.E.V. and Braunbeck, O.A. 2013. Assessment of sugarcane trash for agronomic and energy purposes in Brazil. Scientia Agricola 70(5): 305-312.
Friedl, A., Padouvas, E., Rotter, H. and Varmuza, K. 2005. Prediction of heating values of biomass fuel from elemental composition. Analytica Chimica Acta 544: 191-198.
Goering, H.K. and Van Soest, P.J. 1970. Agricultural Handbook No. 379. Agricultural Research Service, Washington, D.C., USA.
He, Q., Ding, L., Gong, Y., Li, W., Wei, J. and Yu, G. 2019. Effect of torrefaction on pinewood pyrolysis kinetics and thermal behavior using thermogravimetric analysis. Bioresource Technology 280: 104-111.
Ikegwu, U.M., Ozonoh, M. and Daramola, M.O. 2021. Kinetic Study of the Isothermal Degradation of Pine Sawdust during Torrefaction Process. ACS Omega 6(16): 10759-10769.
Jahirul, M.I., Rasul, M.G., Chowdhury, A.A. and Ashwath, N. 2012. Biofuels Production through Biomass Pyrolysis-A Technological Review. Energies 5(12): 4952-5001.
Kamonwat, N., Pongtanawat, K., Wasawat, K., Parinvadee, C., Bunyarit, P., Duangta, K. and Prasert, P. 2021. Upgrading properties of biochar fuel derived from cassava rhizome via torrefaction: Effect of sweeping gas atmospheres and its economic feasibility. Case Studies in Thermal Engineering 23: 100823.
Kaur, R., Gera, P., Jha, M.K. and Bhaskar, T. 2018. Pyrolysis kinetics and thermodynamic parameters of castor (Ricinus communis) residue using thermogravimetric analysis. Bioresource Technology 250: 422-428.
Kongkaew, N., Pruksakit, W. and Patumsawad, S. 2015. Thermogravimetric Kinetic Analysis of the Pyrolysis of Rice Straw. Energy Procedia 79: 663-670.
Kumar, M., Sabbarwal, S., Mishra, P.K. and Upadhyay, S.N. 2019. Thermal degradation kinetics of sugarcane leaves (Saccharum officinarum L) using thermo-gravimetric and differential scanning calorimetric studies. Bioresource Technology 279: 262-270.
Latimer, G.W. 2016. Official methods of analysis of AOAC INTERNATIONAL. 20th ed. Rockville, Maryland, USA.
Mamleev, V., Bourbigot, S., Le Bras, M., Yvon, J. and Lefebvre, J. 2006. Model-free method for evaluation of activation energies in modulated thermogravimetry and analysis of cellulose decomposition. Chemical Engineering Science 61(4): 1276-1292.
Maryana, R., Ma’rifatun, D., Wheni, A.I., Satriyo, K.W. and Angga Rizal, W. 2014. Alkaline Pretreatment on Sugarcane Bagasse for Bioethanol Production. Energy Procedia 47: 250-254.
Mason, P.J., Furtado, A., Marquardt, A., Hodgson-Kratky, K., Hoang, N.V., Botha, F.C., Papa, G., Mortimer, J.C., Simmons, B. and Henry, R.J. 2020. Variation in sugarcane biomass composition and enzymatic saccharification of leaves, internodes and roots. Biotechnol Biofuels 13: 201.
Nhuchhen, D., Basu, P. and Acharya, B. 2014. A Comprehensive Review on Biomass Torrefaction. International Journal of Renewable Energy & Biofuels 2014: 506376.
Novaes, E., Kirst, M., Chiang, V., Winter-Sederoff, H. and Sederoff, R. 2010. Lignin and biomass: A negative correlation for wood formation and lignin content in trees. Plant Physiology 154(2): 555-561.
Okot, D.K., Bilsborrow, P.E., Phan, A.N. and Manning, D.A.C. 2023. Kinetics of maize cob and bean strawpyrolysis and combustion. Heliyon 9(6): e17236.
Osvalda Senneca. 2007. Kinetics of pyrolysis, combustion and gasification of three biomass fuels. Fuel Processing Technology 88(1): 87-97.
Owonubi, S.J., Agwuncha, S.C., Malima, N.M., Shombe, G.B., Makhatha, E.M. and Neerish, R. 2021. Non-woody Biomass as Sources of Nanocellulose Particles: A Review of Extraction Procedures. Frontiers in Energy Research 9: 608825.
Peng, J.H., Bi, H.T., Sokhansanj, S. and Lim, J.C. 2012. A Study of Particle Size Effect on Biomass Torrefaction and Densification. Energy & Fuels 26(6): 3826-3839.
Pereira, S.C., Maehara, L., Machado, C.M.M. and Farinas, C.S. 2015. 2G ethanol from the whole sugarcane lignocellulosic biomass. Biotechnology for Biofuels 8(44):1-16.
Phuakpunk, K., Chalermsinsuwan, B. and Assabumrungrat, S. 2020. Comparison of chemical reaction kinetic models for corn cob pyrolysis. Energy Reports 6: 168-178.
Rattanapreechachai, S. 2023. Information on biomass fuel purchases for various types of Thailand biomass power stations in 2022. Department of Alternative Energy Development and Efficiency. Available Source: https://webkc.dede.go.th/testmax/ node/6248, August 15, 2023. (in Thai)
Reza, M.T., Emerson, R., Uddin, M.H., Gresham, G. and Coronella, C. 2014. Ash reduction of corn stover by mild hydrothermal preprocessing. Biomass Conversion and Biorefinery 5: 21-31.
Reza, M.T., Uddin, M.H., Lynam, J.G. and Coronella, C.J. 2014. Engineered pellets from dry torrefied and HTC biochar blends. Biomass and Bioenergy 63: 229-238.
Sharara, M. and Sadaka, S. 2014. Thermogravimetric Analysis of Swine Manure Solids Obtained from Farrowing, and Growing-Finishing Farms. Journal of Sustainable Bioenergy Systems 4(1): 75-86.
Thomas, S.C. and Martin, A.R. 2012. Carbon content of tree tissues: a synthesis. Forests 3(2): 332-352.
Toptas, A., Yildirim, Y., Duman, G. and Yanik, J. 2015. Combustion behavior of different kinds of torrefied biomass and their blends with lignite. Bioresource Technology 177: 328-336.
Tu, R., Jiang, E., Yan, S., Xu, X. and Rao, S. 2018. The pelletization and combustion properties of terrified Camellia shell via dry and hydrothermal torrefaction: A comparative evaluation. Bioresource Technology 264: 78-89.
Tumuluru, J.S. 2015. Comparison of Chemical Composition and Energy Property of Torrefied Switchgrass and Corn Stover. Frontiers in Energy Research 3: 1-11.
Van Soest, P.J., Robertson, J.B. and Lewis, B.A. 1991. Methods for dietary fiber, neutral detergent fiber and non-starch polysaccharides in relation to animal nutrition. Journal of Dairy Science 74: 3583-3597.
Vyazovkin, S., Burnham, A.K., Criado, J.M., Pérez-Maqueda, L.A., Popescu, C. and Sbirrazzuoli, N. 2011. ICTAC Kinetics Committee recommendations for performing kinetic computations on thermal analysis data. Thermochimica Acta 520(1): 1-19.
Wang, Y., Qiu, L., Zhu, M., Sun, G., Zhang, T. and Kang, K. 2019. Comparative Evaluation of Hydrothermal Carbonization and Low Temperature Pyrolysis of Eucommia ulmoides Oliver for the Production of Solid Biofuel. Scientific Reports 9(1): 5535.
Wang, Y., Tan, H., Wang, X., Du, W., Mikulcic, H. and Duic, N. 2017. Study on extracting available salt from straw/woody biomass ashes and predicting its slagging/fouling tendency. Journal of Cleaner Production 155: 164-171.
Waters, C.L., Janupala, R.R., Mallinson, R.G. and Lobban, L.L. 2017. Staged thermal fractionation for segregation of lignin and cellulose pyrolysis products: An experimental study of residence time and temperature effects. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 126: 380-389.
Wu, K.T., Tsai, C.J., Chen, C.S. and Chen, H.W. 2012. The characteristics of torrefied microalgae. Applied Energy 100: 52-57.
Yadav, K., Tyagi, M., Kumari, S. and Jagadevan, S. 2019. Influence of Process Parameters on Optimization of Biochar Fuel Characteristics Derived from Rice Husk: A Promising Alternative Solid Fuel. BioEnergy Research 12(4): 1052-1065.
Yuan, X., He, T., Cao, H. and Yuan, Q. 2017. Cattle manure pyrolysis process: Kinetic and thermodynamic analysis with isoconversional methods. Renewable Energy 107: 489-496.
Zhang, J., Sekyere, D.T., Niwamanya, N., Huang, Y., Barigye, A. and Tian, Y. 2022. Study on the Staged and Direct Fast Pyrolysis Behavior of Waste Pine Sawdust Using High Heating Rate TG-FTIR and Py-GC/MS. ACS Omega 7(5): 4245-4256.
Zheng, A., Zhao, Z., Chang, S., Huang, Z., Zhao, K., Wei, G., He, F. and Li, H. 2015. Comparison of the effect of wet and dry torrefaction on chemical structure and pyrolysis behavior of corncobs. Bioresource Technology 176: 15-22.
Zhuang, J., Li, M., Pu, Y., Ragauskas, A.J. and Yoo, C.G. 2020. Observation of Potential Contaminants in Processed Biomass Using Fourier Transform Infrared Spectroscopy. Applied Sciences 10(12): 4345.
ดาวน์โหลด
เผยแพร่แล้ว
รูปแบบการอ้างอิง
ฉบับ
ประเภทบทความ
สัญญาอนุญาต
ลิขสิทธิ์ (c) 2024 วารสารวิจัย มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลศรีวิชัย
อนุญาตภายใต้เงื่อนไข Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
เนื้อหาและข้อมูลในบทความที่ลงตีพิมพ์ในวารสารวิจัยมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลศรีวิชัย ถือเป็นข้อคิดเห็นและความรับผิดชอบของผู้เขียนบทความโดยตรง ซึ่งกองบรรณาธิการวารสารไม่จำเป็น ต้องเห็นด้วย หรือร่วมรับผิดชอบใดๆ
บทความ ข้อมูล เนื้อหา รูปภาพฯลฯ ที่ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิจัย มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลศรีวิชัย ถือเป็นลิขสิทธ์ของวารสารวิจัย มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลศรีวิชัย หากบุคคลหรือหน่วยงานใดต้องการนำทั้งหมดหรือส่วนหนึ่งส่วนใดไปเผยแพร่ต่อหรือเพื่อการกระทำการใดๆจะต้องได้รับอนุญาตเป็นลายลักษ์อักษรจากวารสาร มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลศรีวิชัยก่อนเท่านั้น
