A bioszén jellemzői

Szerző: 
BME ABÉT

Bioszenek jellemzőiről általában

A bioszén minősége, valamint fizikai és kémiai tulajdonságai függnek az alapanyagtól (fa vagy növényi), a technológiától és a technológia paramétereitől (alacsony vagy magas hőmérséklet, tartózkodási idő, lassú vagy gyors pirolízis, hevítési sebesség, és az alapanyag előkészítése).

A bioszén minőségének megkülönböztetésére Joseph et al. (2009) egy osztályozási rendszert javasolt.

A bioszén termékek köre nagyon változó, az elem- és hamuösszetétel, a sűrűség, a porozitás, a póruseloszlás, a fajlagos felszín, a felületi kémiai tulajdonságok, a víz- és ion-adszorpció, a pH és a felszíni szerkezet tekintetében (Baldock and Smernik, 2002; Antal and Grǿnli, 2003; Downie et al., 2009; Chan and Xu, 2009).

A biomasszából gyártott bioszén tulajdonságait befolyásolja a pirolízis hőmérséklete, a biomassza lignin, cellulóz, és hemicellulóz tartalma és valamelyest az alapanyag további elemkoncentrációja. (McKay and Roberts, 1982; Antal and Grǿnli, 2003).

Nagy lignintartalmú fa-alapú biomasszából jobb minőségű bioszén keletkezik, mint a növényi alapanyagból. A hőmérséklet növekedésével, minden egyes pirolízis eljárás esetén a bioszén széntartalma nő (Antal and Grǿnli, 2003; Schnitzer et al., 2007; Zabaniotou et al., 2008).

400 - 600°C közötti pirolízis hőmérsékleten gyártott bioszenek nagy mennyiségben tartalmaznak polikondenzált aromás szerkezeteket (Antal and Grǿnli, 2003; Amonette and Joseph, 2009). Joseph et al. 2009 szerint az 500°C fölött gyártott bioszenek széntartalma 80% fölött van, míg a 400 és 500°C között keletkezett bioszenek széntartalma 60-80% és az alacsony hőmérsékleten (< 350°C) keletkezett bioszenek széntartalma 15 – 60% között változik.

A bioszén jellemzése során két frakciót különböztethetünk meg a bioszén összetétele tekintetében: a szerves „szenes” frakciót és a szervetlen hamu frakciót. A „szenes” frakcióban a szénhez kötődve jelen van a hidrogén, oxigén és más elemek és ezt a frakciót befolyásolják a legerőteljesebben a reaktorban végbemenő reakció körülményei. A tartózkodási idő, a hőmérséklet, a hevítési sebesség, stb hatására többnyire a szerves szénhidrát tartalmú vegyületek alakulnak át a bioszenet jellemző, aromás szerkezetű vegyületekké. A bioszén alapanyag tulajdonságai befolyásolják a legjobban a szervetlen frakciót: a reakció körülményei hatással vannak a hamu tulajdonságaira és a bioszén összetételét alkotó hamu-szén arányára, de általában a biomasszában található ásványi komponensek a hamuban dúsulnak fel (Brewer, 2012).

Az IBI (International Biochar Initiative) és további szakemberekből álló csoport együttesen meghatároztak egy általános módszert a bioszén stabilitásának felmérésére (Budai et al, 2013). Ugyanakkor a bioszén további tulajdonságainak felmérése valószínűleg hasonló általános módszereken fog alapulni. A bioszén tulajdonságainak felmérése egyszerű, többnyire lineáris kapcsolatot feltételez a gyártási körülmények és a komplex tulajdonságok között (Budai et al, 2014). Több tanulmány is utalt arra, hogy hasonló egyszerű kapcsolat létezik a kritikus kémiai összetétel és a felületi tulajdonságok indikátorai között. Például, a pirolízis hőmérsékletének növekedése, a pH, a kation-csere kapacitás (CEC)(Lehmann, 2007) és a felszíni felület (SA) (Lee et al, 2013) növekedéséhez vezetett, bár nem minden kutató támogatja ezt a felismerést. Egyes kutatások szerint a felszíni felület értéke eléri a maximumot, majd lecsökken a magas pirolízis hőmérséklet (HTT) esetén, úgy a fa, mint a gabona alapú bioszeneknél (Brown et al, 2006; Chun et al, 2004, Budai A. et al, 2014).

Forrás: 

Amonette, J, and S. Joseph. 2009. Characteristics of biochar: Micro chemical properties. pp. 33-52. In J. Lehmann and S. Joseph (eds.) Biochar for environmental management: Science and technology. Earthscan, London.

Antal MJ, Gronli M. 2003 The art, science, and technology of charcoal production. Ind. Eng. Chem. Res. 42(8), 1619–1640.

Baldock, J.A., and R.J. Smernik. 2002. Chemical composition and bioavailability of thermally altered Pinus resinosa (Red Pine) wood. Org. Geochem. 33: 1093-1109.

Brewer, Catherine Elizabeth, 2012. Biochar characterization and engineering, Graduate Theses and Dissertations. Paper 12284.

Brown, R. A.; Kercher, A. K.; Nguyen, T. H.; Nagle, D. C.; Ball, W. P. 2006. Production and characterization of synthetic wood chars for use as surrogates for natural sorbents. Org. Geochem. 37, 321−333.

Budai, A.; Zimmerman, A. R.; Cowie, A. L.; Webber, J. B. W.; Singh, B. P.; Glaser, B.; Masiello, C. A.; Andersson, D.; Shields, F.; Lehmann, J.; Camps Arbestain, M.; Williams, M.; Sohi, S.; Joseph, S. 2013 Biochar Carbon Stability Test Method: An Assessment of Methods To Determine Biochar Carbon Stability ; International Biochar Initiative (IBI): Westerville, OH, USA.

Budai Alice, Wang Liang, Gronli Morten, Strand Line Tau, Michael J. Antal Samuel Abiven, Alba Dieguez-Alonso, Andres Anca-Couce and Daniel P. Rasse 2014. Surface Properties and Chemical Composition of Corncob and Miscanthus Biochars: Effects of Production Temperature and Method, J. Agric. Food Chem., 62 (17), pp 3791–3799 DOI: 10.1021/jf501139f

Chan, K.Y., Xu, Z.H., 2009. Biochar – nutrient properties and their enhancement. In: Lehman, J., Joseph, S. (Eds.), Biochar for Environmental Management: Science and Technology. Earthscan, London, UK, pp. 67–84.

Chun, Y., Sheng, G.Y., Chiou, C.T., Xing, B.S., 2004. Compositions and sorptive properties of crop residue-derived chars. Environmental Science & Technology 38, 4649–4655. 

Downie A, Crosky A, Munroe P (2009) Physical proper ties of biochar. In ‘Biochar for Environmental Management: Science and Technology’. (Eds J Lehmann, S Joseph) pp. 13−32. (Earthscan, London, UK).

Joseph, S. 2009. Socio-economic assessment and implementation of small-scale biochar projects. pp.359-374. In J. Lehmann and S. Joseph (eds.) Biochar for environmental management: Science and technology. Earthscan, London. 

Lee, Y.; Eum, P. R. B.; Ryu, C.; Park, Y. K.; Jung, J. H.; Hyun, S. 2013. Characteristics of biochar produced from slow pyrolysis of Geodae-Uksae 1. Bioresour. Technol. 130, 345−350. 

Lehmann, J., 2007. Bio-energy in the black. Frontiers in Ecology and the Environment 5 (7), 381–387. 

McKay, D.M., and P.V. Roberts. 1982. The dependence of char and carbon yield on lignocellulosic precursor composition. Carbon. 20:87 

Schnizter, M.I., C. Monreal, G. Jandl, P. Leinweber, and P.B. Fransham. 2007. The conversion of chicken manure to biooil by fast pyrolysis: II. Analysis of Chicken manure, biooils, and char by curie-point pyrolysis-gas chromatography/mass spectrometry. J, Environ. Sci. Health B. 42:79-95.

Zabaniotou, A., G. Stavropoulos, and V. Skoulou. 2008. Activated carbon from olive kernels in a two stage process: Industrial improvement. Biores. Technol. 99:320-326.