Вплив вихідного стану біомаси та умов піролізу на властивості біовугілля, отриманого з відходів Miscanthus х giganteus
The influence of pyrolysis conditions and the initial biomass state of Miscanthus x giganteus on the properties of biochar as a final product of oxidative and dry pyrolysis was investigated. Miscanthus biomass chips and waste pellets as well as wood waste were tested as feedstocks. Miscanthus chips...
Збережено в:
| Дата: | 2025 |
|---|---|
| Автори: | , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська |
| Опубліковано: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2025
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/809 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Репозитарії
Chemistry, Physics and Technology of Surface| _version_ | 1856543970880913408 |
|---|---|
| author | Pidlisnyuk, V.V. Stefanovska, T.R. Borysenko, L.I. Klius, V.P. Chetveryk, H.O. Medkov, A.I. Lisnyak, V.V. |
| author_facet | Pidlisnyuk, V.V. Stefanovska, T.R. Borysenko, L.I. Klius, V.P. Chetveryk, H.O. Medkov, A.I. Lisnyak, V.V. |
| author_sort | Pidlisnyuk, V.V. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2025-09-14T10:18:50Z |
| description | The influence of pyrolysis conditions and the initial biomass state of Miscanthus x giganteus on the properties of biochar as a final product of oxidative and dry pyrolysis was investigated. Miscanthus biomass chips and waste pellets as well as wood waste were tested as feedstocks. Miscanthus chips were obtained from biomass grown on agricultural or marginal soils. The feedstocks were processed into biochar by oxidative pyrolysis in specially designed “household” and “farmer’s” stoves and by dry pyrolysis in a muffle furnace. Higher pyrolysis temperatures (600–700 °C) resulted in biochar with higher specific surface area (SSA) but lower yield. A balance between yield and SSA was found at 600 °C for 30–40 minutes, making this condition ideal for high-porosity biochar suitable for adsorption applications. For soil improvement, oxidative pyrolysis biochar from Miscanthus pellets and wood waste is preferred due to its higher fixed carbon content. For adsorption-based applications, dry pyrolysis biochar from Miscanthus chips is better due to its higher SSA. For fuel applications, biochar from oxidative pyrolysis of wood waste and Miscanthus waste pellets are ideal due to the highest calorific values. Thermogravimetric analysis of Miscanthus chips heated in air showed a process involving dehydration, pyrolysis, and oxidation reactions, and revealed its stages, namely, dehydration at 50–140 °C, hemicellulose degradation at 230–360 °C, cellulose degradation at 285–380 °C, and slow lignin destruction at 200–700 °C. Miscanthus chips exhibit spontaneous combustion characteristics, with smoldering beginning at 204 °C and complete combustion at 333 °C. Biochars produced from Miscanthus feedstocks has lower dehydration temperatures than corresponding Miscanthus feedstock, and it loses 86.2–92 % of its weight during thermal processing. Biochar obtained from Miscanthus pellets has the highest moisture content, while biochar from Miscanthus chips is less hydrophilic. Thermal stability varies among biochar samples, with significant differences in weight loss patterns during pyrolysis and oxidation. These differences suggest structural variations, likely due to the feedstock composition and pyrolysis conditions. Prepared biochar has both hydrophobic and hydrophilic properties, which is confirmed by the presence of characteristic peaks of hydrophobic and hydrophilic groups in the FTIR spectra. In particular, FTIR spectroscopy indicates the presence of hydroxyl (–OH), carbonyl (C=O), carboxyl (–COOH), and methylene (CH2) groups in carbonization products derived from the structural components of biomass – cellulose, hemicellulose and lignin. It was found that the SSA values of biochar from Miscanthus pellets produced by oxidative pyrolysis and biochar from chips produced by dry pyrolysis are in accordance with the parameters recommended by the International Biochar Initiative and are 187 and 419 m2/g, respectively. It has been concluded that the production of biochar from Miscanthus pellets by oxidative pyrolysis requires minimal energy consumption per unit of product. Processing Miscanthus waste by converting it into biochar is a promising solution within the circular economy concept, as biochar derived from Miscanthus ? giganteus can be an effective additive that can help restore degraded soils through phytoremediation. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:35:55Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-809 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | English |
| last_indexed | 2025-09-24T17:46:03Z |
| publishDate | 2025 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-8092025-09-14T10:18:50Z Influence of the initial biomass state and pyrolysis conditions on the properties of biochar produced from Miscanthus х giganteus waste Вплив вихідного стану біомаси та умов піролізу на властивості біовугілля, отриманого з відходів Miscanthus х giganteus Pidlisnyuk, V.V. Stefanovska, T.R. Borysenko, L.I. Klius, V.P. Chetveryk, H.O. Medkov, A.I. Lisnyak, V.V. Miscanthus chips and pellets oxidative pyrolysis dry pyrolysis processing temperature specific surface area of biochar Тріска та пелети з Міскантусу окиснювальний піроліз сухий піроліз температура обробки питома поверхня біовугілля The influence of pyrolysis conditions and the initial biomass state of Miscanthus x giganteus on the properties of biochar as a final product of oxidative and dry pyrolysis was investigated. Miscanthus biomass chips and waste pellets as well as wood waste were tested as feedstocks. Miscanthus chips were obtained from biomass grown on agricultural or marginal soils. The feedstocks were processed into biochar by oxidative pyrolysis in specially designed “household” and “farmer’s” stoves and by dry pyrolysis in a muffle furnace. Higher pyrolysis temperatures (600–700 °C) resulted in biochar with higher specific surface area (SSA) but lower yield. A balance between yield and SSA was found at 600 °C for 30–40 minutes, making this condition ideal for high-porosity biochar suitable for adsorption applications. For soil improvement, oxidative pyrolysis biochar from Miscanthus pellets and wood waste is preferred due to its higher fixed carbon content. For adsorption-based applications, dry pyrolysis biochar from Miscanthus chips is better due to its higher SSA. For fuel applications, biochar from oxidative pyrolysis of wood waste and Miscanthus waste pellets are ideal due to the highest calorific values. Thermogravimetric analysis of Miscanthus chips heated in air showed a process involving dehydration, pyrolysis, and oxidation reactions, and revealed its stages, namely, dehydration at 50–140 °C, hemicellulose degradation at 230–360 °C, cellulose degradation at 285–380 °C, and slow lignin destruction at 200–700 °C. Miscanthus chips exhibit spontaneous combustion characteristics, with smoldering beginning at 204 °C and complete combustion at 333 °C. Biochars produced from Miscanthus feedstocks has lower dehydration temperatures than corresponding Miscanthus feedstock, and it loses 86.2–92 % of its weight during thermal processing. Biochar obtained from Miscanthus pellets has the highest moisture content, while biochar from Miscanthus chips is less hydrophilic. Thermal stability varies among biochar samples, with significant differences in weight loss patterns during pyrolysis and oxidation. These differences suggest structural variations, likely due to the feedstock composition and pyrolysis conditions. Prepared biochar has both hydrophobic and hydrophilic properties, which is confirmed by the presence of characteristic peaks of hydrophobic and hydrophilic groups in the FTIR spectra. In particular, FTIR spectroscopy indicates the presence of hydroxyl (–OH), carbonyl (C=O), carboxyl (–COOH), and methylene (CH2) groups in carbonization products derived from the structural components of biomass – cellulose, hemicellulose and lignin. It was found that the SSA values of biochar from Miscanthus pellets produced by oxidative pyrolysis and biochar from chips produced by dry pyrolysis are in accordance with the parameters recommended by the International Biochar Initiative and are 187 and 419 m2/g, respectively. It has been concluded that the production of biochar from Miscanthus pellets by oxidative pyrolysis requires minimal energy consumption per unit of product. Processing Miscanthus waste by converting it into biochar is a promising solution within the circular economy concept, as biochar derived from Miscanthus ? giganteus can be an effective additive that can help restore degraded soils through phytoremediation. Досліджено вплив умов піролізу та початкового стану біомаси Miscanthus ? giganteus на властивості біовугілля як кінцевого продукту окиснювального та сухого піролізу. Як сировину використовували тріску та гранули з біомаси Міскантусу, а також деревні відходи. Тріска з Міскантусу була отримана з біомаси, вирощеної на сільськогосподарських або малопродуктивних ґрунтах. Вищезгадану сировину переробляли на біовугілля шляхом окиснювального піролізу в спеціально розроблених «побутових» та «фермерських» печах, а також шляхом сухого піролізу в муфельній печі. Вищі температури піролізу (600–700 °C) привели до отримання біовугілля з вищою питомою поверхнею (ПП), але з нижчим виходом. Баланс між виходом і ПП був знайдений при температурі 600 °C та часі піролізу 30–40 хвилин, що робить ці умови ідеальними для отримання високопоруватого біовугілля, придатного для адсорбційних застосувань. Для поліпшення якості ґрунту слід надати перевагу біовугіллю з пелет Міскантусу та деревних відходів завдяки вищому вмісту фіксованого вуглецю. Для адсорбційних застосувань краще використовувати сухе піролізне біовугілля з тріски Міскантусу, оскільки воно має вищу ПП. Для застосувань як палива ідеально придатне біовугілля, отримане в результаті окиснювального піролізу деревних відходів та гранул з біомаси Міскантусу, завдяки найвищій теплотворній здатності. Термогравіметричний аналіз тріски Міскантусу, нагрітої на повітрі, показав наявність процесу, що включає реакції дегідратації, піролізу та окиснення, і виявив його стадії, а саме: дегідратацію при 50–140 °C, деградацію геміцелюлози при 230–360 °C, деградацію целюлози при 285–380 °C та повільну деструкцію лігніну при 200–700 °C. Тріска з Міскантусу демонструє характерне самозаймання, тління починається при 204 °C, а повне згоряння – при 333 °C. Біовугілля, вироблене з Міскантусу, як сировини, має нижчу температуру дегідратації, ніж вихідна сировина Міскантусу, і втрачає 86.2–92 % своєї ваги під час термічної обробки. Біовугілля, отримане з гранул Міскантусу, має найвищий вміст вологи, в той час як біовугілля з тріски Міскантусу є менш гідрофільним. Термічна стабільність варіюється між зразками біовугілля, зі значними відмінностями в режимах втрати ваги під час піролізу та окиснення. Ці відмінності вказують на структурні варіації, ймовірно, пов’язані зі складом сировини та умовами піролізу. Приготоване біовугілля має як гідрофобні, так і гідрофільні властивості, що підтверджується наявністю характерних піків гідрофобних та гідрофільних груп у інфрачервоних (ІЧ) спектрах з перетворенням Фур’є. Зокрема, ІЧ-Фур’є спектроскопія вказує на наявність гідроксильних (–OH), карбонільних (C=O), карбоксильних (–COOH) та метиленових (CH2) груп у продуктах карбонізації, отриманих зі структурних компонентів біомаси – целюлози, геміцелюлози та лігніну. Встановлено, що значення ПП біовугілля, отриманого з гранул Міскантусу окиснювальним піролізом та ПП біовугілля, отриманого сухим піролізом з тріски Міскантусу, відповідають параметрам, рекомендованим Міжнародною ініціативою з біовугілля, і становлять відповідно187 та 419 м2/г. Зроблено висновок, що виробництво біовугілля з гранул Міскантусу методом окиснювального піролізу вимагає мінімальних витрат енергії на одиницю продукту. Переробка відходів Міскантусу шляхом їхнього перетворення на біовугілля є перспективним рішенням в рамках концепції циркулярної економіки, оскільки біовугілля, отримане з Miscanthus ? giganteus, може бути ефективною добавкою, застосування якої сприятиме відновленню деградованих ґрунтів шляхом фіторемедіації. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2025-08-28 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/809 10.15407/hftp16.03.385 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 16 No. 3 (2025): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 385-405 Химия, физика и технология поверхности; Том 16 № 3 (2025): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 385-405 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 16 № 3 (2025): Хімія, фізика та технологія поверхні; 385-405 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp16.03 en https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/809/808 Copyright (c) 2025 V.V. Pidlisnyuk , T.R. Stefanovska, L.I. Borysenko, V.P. Klius, H.O. Chetveryk, A.I. Medkov, V.V. Lisnyak https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
| spellingShingle | Тріска та пелети з Міскантусу окиснювальний піроліз сухий піроліз температура обробки питома поверхня біовугілля Pidlisnyuk, V.V. Stefanovska, T.R. Borysenko, L.I. Klius, V.P. Chetveryk, H.O. Medkov, A.I. Lisnyak, V.V. Вплив вихідного стану біомаси та умов піролізу на властивості біовугілля, отриманого з відходів Miscanthus х giganteus |
| title | Вплив вихідного стану біомаси та умов піролізу на властивості біовугілля, отриманого з відходів Miscanthus х giganteus |
| title_alt | Influence of the initial biomass state and pyrolysis conditions on the properties of biochar produced from Miscanthus х giganteus waste |
| title_full | Вплив вихідного стану біомаси та умов піролізу на властивості біовугілля, отриманого з відходів Miscanthus х giganteus |
| title_fullStr | Вплив вихідного стану біомаси та умов піролізу на властивості біовугілля, отриманого з відходів Miscanthus х giganteus |
| title_full_unstemmed | Вплив вихідного стану біомаси та умов піролізу на властивості біовугілля, отриманого з відходів Miscanthus х giganteus |
| title_short | Вплив вихідного стану біомаси та умов піролізу на властивості біовугілля, отриманого з відходів Miscanthus х giganteus |
| title_sort | вплив вихідного стану біомаси та умов піролізу на властивості біовугілля, отриманого з відходів miscanthus х giganteus |
| topic | Тріска та пелети з Міскантусу окиснювальний піроліз сухий піроліз температура обробки питома поверхня біовугілля |
| topic_facet | Miscanthus chips and pellets oxidative pyrolysis dry pyrolysis processing temperature specific surface area of biochar Тріска та пелети з Міскантусу окиснювальний піроліз сухий піроліз температура обробки питома поверхня біовугілля |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/809 |
| work_keys_str_mv | AT pidlisnyukvv influenceoftheinitialbiomassstateandpyrolysisconditionsonthepropertiesofbiocharproducedfrommiscanthushgiganteuswaste AT stefanovskatr influenceoftheinitialbiomassstateandpyrolysisconditionsonthepropertiesofbiocharproducedfrommiscanthushgiganteuswaste AT borysenkoli influenceoftheinitialbiomassstateandpyrolysisconditionsonthepropertiesofbiocharproducedfrommiscanthushgiganteuswaste AT kliusvp influenceoftheinitialbiomassstateandpyrolysisconditionsonthepropertiesofbiocharproducedfrommiscanthushgiganteuswaste AT chetverykho influenceoftheinitialbiomassstateandpyrolysisconditionsonthepropertiesofbiocharproducedfrommiscanthushgiganteuswaste AT medkovai influenceoftheinitialbiomassstateandpyrolysisconditionsonthepropertiesofbiocharproducedfrommiscanthushgiganteuswaste AT lisnyakvv influenceoftheinitialbiomassstateandpyrolysisconditionsonthepropertiesofbiocharproducedfrommiscanthushgiganteuswaste AT pidlisnyukvv vplivvihídnogostanubíomasitaumovpírolízunavlastivostíbíovugíllâotrimanogozvídhodívmiscanthushgiganteus AT stefanovskatr vplivvihídnogostanubíomasitaumovpírolízunavlastivostíbíovugíllâotrimanogozvídhodívmiscanthushgiganteus AT borysenkoli vplivvihídnogostanubíomasitaumovpírolízunavlastivostíbíovugíllâotrimanogozvídhodívmiscanthushgiganteus AT kliusvp vplivvihídnogostanubíomasitaumovpírolízunavlastivostíbíovugíllâotrimanogozvídhodívmiscanthushgiganteus AT chetverykho vplivvihídnogostanubíomasitaumovpírolízunavlastivostíbíovugíllâotrimanogozvídhodívmiscanthushgiganteus AT medkovai vplivvihídnogostanubíomasitaumovpírolízunavlastivostíbíovugíllâotrimanogozvídhodívmiscanthushgiganteus AT lisnyakvv vplivvihídnogostanubíomasitaumovpírolízunavlastivostíbíovugíllâotrimanogozvídhodívmiscanthushgiganteus |