Book
Секвестрация углерода из биомассы крупнотравных растений путем получения биоуглей
| Title: | Секвестрация углерода из биомассы крупнотравных растений путем получения биоуглей |
|---|---|
| Publisher Information: | Zenodo, 2023. |
| Publication Year: | 2023 |
| Subject Terms: | углерод, свойства биоуглей, секвестрация углерода, биоуголь |
| Description: | Технология получения биоугля направлена на решение проблем секвестрации СО2 из атмосферы с помощью почвенно-растительных экосистем. При этом углерод растительной биомассы с помощью пиролиза (нагревания при высоких температурах с ограниченным доступом кислорода) переводится в трудноразлагаемую форму, которая может храниться в почве в течение сотен и тысяч лет (Knicker et al., 2013; Kuzyakov et al., 2009). Дальнейшая «судьба» биоугля определяется режимом депонирования. Если его будут интенсивно использовать при возделывании сельскохозяйственных структур, то большое значение имеют характеристики биоугля, улучшающие почву для той или иной культуры. Если биоуголь будут депонировать в естественные экосистемы, то здесь решающее значение приобретают устойчивость биоугля к разложению в региональных почвенно-климатических условиях. Как правило, секвестрационный потенциал биоуглей определяется по выходу углерода, а также по доле устойчивых фракций (стабильных форм) углерода (Masek et al., 2013). В некоторых работах показано, что устойчивость биоуглей можно косвенно оценить по содержанию О и Н в них, а также соотношению Н/С и О/С (Tu et al., 2022). Технология получения биоугля имеет множество аналогов, разработанных для других регионов. Однако для каждого региона вид сырья и способ переработки необходимо подбирать с учетом зональной и региональной специфики. Перенос аналогичных технологий, например, из Европейской части России на Средний Урал не гарантирует успеха. Подход получения биоуглей представляется перспективным в отношении высокотравных растений, которые отличаются высокой продуктивностью и большой вариативностью свойств биомассы. Цель работы – выявить связь между исходными характеристиками растительного сырья и секвестрационным потенциалом полученных биоуглей. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ Исследования проведены на 6 видах высокотравных растений из коллекции Ботсада УрФУ: Amaranthus caudatus L., A. cruentus L., A. hypochondriacus L., Echinops sphaerocephalus L., Miscanthus sinensis Andersson, Polygonum weyrichii F. Schmidt. Для сравнения использовали березовый опил – сырье, наиболее часто используемое для изготовления биоуглей. Биомассу высушивали при температуре 70°С, а затем измельчали до размера менее 1 см для производства биоугля. Пиролиз биомассы осуществляли при двух температурных режимах 370°С и 500°С в электропечи для лабораторного коксования (ГОСТ 9521-74). Содержание C, H, N определяли в 3-х параллельных измерениях на элементных анализаторах CHN PE 2400 (производитель «Perkin Elmer Instruments», США) и ЕА3000 («EuroVector Instruments», Италия). Элементный анализ выполнен в Центре коллективного пользования «Спектроскопия и анализ органических соединений» группой элементного анализа ИОС УрО РАН. Для определения зольности аналитическую пробу биоугля измельчали до размера частиц 1 мм и менее. Озоление проводили при свободном доступе воздуха и прокаливании зольного остатка до постоянной массы при температуре 815±10°С по ГОСТ 55661–2013. Содержание O получали вычитанием из 100% процента С, H, N, золы (Tu et al., 2022). Окисленный (органический) углерод определяли методом мокрого сжигания по Тюрину, по окисляемости в 0.4н растворе бихромата калия. На основе полученных данных рассчитали выход биоугля (Zhao et al., 2013) и углерода, выход устойчивых форм С. Для установления влияния отдельных факторов был проведен дисперсионный анализ. Метод парной корреляции Пирсона использовали для определения силы и характера связей между показателями. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Исследуемые виды различались по концентрации углерода в биомассе: наименьшие значения обнаружены у видов рода Amaranthus, а самые высокие – в опиле, промежуточные – в биомассе E. sphaerocephalus и P. weyrichii (табл. 1). Амаранты отличались повышенным содержанием азота в фитомассе по сравнению с остальными травами, самое низкое содержание азота было в березовом опиле. Наибольшее содержание водорода обнаружено в биомассе M. sinensis и опила. Содержание кислорода в биомассе изменялось от 40% у A. cruentus и A. hypochondriacus до 46% у опила. Значительные различия выявлены в зольности сырья. Биомасса амарантов характеризовались максимальной зольностью, что более чем в 2 раза превосходило зольность в биомассе остальных трав. В опиле зольность не превышала 1%. Для производства биоугля важен выход биоугля – масса, полученная из единицы биомассы. Для секвестрационного потенциала информативным показателем является выход С биоугля – количество С биомассы, сохраняющееся в биоугле после пиролиза. Выход биоугля и углерода в биоугле сильно зависели от температуры пиролиза и вида сырья (табл. 2). Максимальный выход биоугля отмечен из A. hypochondriacus, E. sphaerocephalus и P. weyrichi в условиях низкой температуры пиролиза. При высокой температуре пиролиза у всех видов наблюдалось снижение выхода биоугля и углерода на 20% и более. Повышенный выход биоуля и углерода при более низкой температуре можно объяснить низкой интенсивностью обугливания биомассы. Пиролиз биомассы с высоким содержанием лигнина ведет к высокому выходу биоугля (Nanda et al., 2015), однако биоуголь из опила не отличался высоким выходом. Не обнаружено четкой связи выхода углерода в биоуглях с выходом биоуглей при температуре при 500°С (r = 0.37, p = 0.0993), а при пиролизе 370°С такая связь наблюдалась (r = 0.70, p = 0.0003). Большое значение для секвестрационного потенциала биоугля имеет устойчивость полученного биоугля к разложению, которая косвенно оценивается по доле стабильной фракции биоугля. Наиболее важным показателем является выход стабильной фракции C, а не просто ее концентрация в биоугле. Наибольший выход стабильного углерода обнаружен у большей части видов биомасс при 500°С пиролиза. Исключение составляют A. caudatus, A. hypochondriacus и P. weyrichii, у которых этот показатель был сопоставим или выше при 370°С. У биоуглей из M. sinensis и опила доля устойчивых фракций углерода были в 2–3 раза выше, чем у биоуглей из других типов сырья. Это свидетельствует о том, что у M. sinensis и опила более развиты свойства биомассы, отвечающие за получение биоуглей с высокой степенью устойчивости. Корреляционный анализ не выявил связи между выходом биоугля и устойчивыми фракциями углерода. Так, наибольшая доля стабильных фракций углерода была характерна в биоуглях M. sinensis и опила, которые отличались при сжигании 500°С и особо не выделялись выходом биоуглей. Из отношений элементов, которые наиболее точно отражают устойчивость соединений, являются Н/С и О/С (Tu et al., 2022). Высоко устойчивые соединения, как правило, характеризуются дефицитом водорода и кислорода и состоят из конденсированных ароматических колец. К ним относятся угли, гуминовые кислоты и лигнины. Отношение Н/С для изученных нами групп биоуглей и биомасс для высокотемпературных биоуглей варьировало от 0.04 у опила до 0.05 у A. hypochondriacus, для низкотемпературных биоуглей от 0.06 у A. hypochondriacus до 0.08 у E. sphaerocephalus, отношение О/С у высокотемпературных биоуглей варьировало от 0.15 у опила до 0.47 у A. hypochondriacus, у низкотемпературных от 0.32 у M. sinensis и E. sphaerocephalus до 0.56 у A. hypochondriacus. Н/С и О/С для биомасс были значительно выше: 0.14–0.15 и 0.98–1.27 соответственно. Наиболее выражено низкое отношение Н/С и О/С у высокотемпературных биоуглей из опила M. sinensis и E. sphaerocephalus. Мы предположили, что усиление устойчивых свойств биоуглей, обнаруженное у M. sinensis и опила может быть обеспечено свойствами исходной биомассы. Корреляционный анализ не выявил связь между выходом биоугля и измеренными нами характеристиками исходной биомассы (табл. 3). Зато важнейшие характеристики биоуглей, такие как выход стабильных фракций и выход углерода угля связаны с исходными свойствами сырья. Нами обнаружена положительная связь между выходом углерода и его устойчивых форм в биоугле с содержанием углерода и водорода в биомассе и отрицательная связь с содержанием азота и зольностью. Эти связи сходным образом коррелировали при разных температурных режимах пиролиза, но при 500 °С сила связей была выше. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, нами показано, что на свойства биоуглей влияют исходные характеристики биомасс и температура пиролиза. Для секвестрационных свойств биоуглей важны исходные характеристики биомассы и высокая температура пиролиза. Угли с высоким выходом не отличаются высокими секвестрационными качествами. Это биоугли из биомасс амарантов. Для получения биоуглей с высокими секвестрационными свойствами важную роль играет высокое содержание углерода и водорода и низкое содержание золы и азота в исходной биомассе. Это угли из M. sinensis и опила. |
| Document Type: | Part of book or chapter of book |
| Language: | Russian |
| DOI: | 10.5281/zenodo.10039195 |
| Rights: | URL: https://opensource.org/licenses/CPAL-1.0 |
| Accession Number: | edsair.doi...........cca000c43864a5d0e1092cda29b3d426 |
| Database: | OpenAIRE |
Be the first to leave a comment!