Почтовый адрес: 163000, ОПС Архангельск, бокс 249, САФУ, Редакция "Лесной журнал".

Адрес местонахождения: 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, д. 17, САФУ, Редакция "Лесной журнал", ауд. 1425.

Тел.: 8(8182) 21-61-18
Сайт: http://lesnoizhurnal.ru/ 
e-mail: forest@narfu.ru

RussianEnglish



архив

Характеристика дегтя и биоугля при газификации гранул Hevea brasiliensis. C. 152–166

 Версия для печати

Вахью Хидаят, Фадилла Марта Амелия, Хендра Прасетиа, Индра Гумай Фебрияно, Бугае Парк, Агус Харьянто

Рубрика: Технология химической переработки древесины и производство древесно-полимерных композитов

Скачать статью (pdf, 2.3MB )

УДК

662.71

Аннотация

Газификация каучуковых (Hevea brasiliensis) гранул представляет собой перспективный способ преобразования избыточного количества лигноцеллюлозной биомассы в источник энергии. Помимо производства синтезного газа (сингаза), процесс приводит к образованию побочных продуктов, таких как смола и биоуголь, которые требуют комплексной характеристики для оптимизации процессов и дальнейшего использования. Газификатор с нисходящим потоком был выбран потому, что он производит меньше смолы, чем газификаторы других типов. Целью данного исследования является анализ химического состава и характеристик смолы и биоугля как побочных продуктов газификации древесных гранул Hevea brasiliensis с применением газификатора с нисходящим потоком. Химические компоненты смолы анализировали с помощью газовой хроматографии с масс-спектрометрией, а характеристики биоугля – с помощью рентгеновской дифракции, инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье и автоэмиссионной сканирующей электронной микроскопии / энергодисперсионной рентгеновской спектрометрии. Химический состав смолы включает сложные соединения, в т. ч. карбоновые кислоты, алканы, ароматические углеводороды и фенолы. Спектр инфракрасной Фурье-спектроскопии показывает, что биоуголь характеризуется функциональными группами, ассоциированными с насыщенными кислородом углеводами, которые отражают структурные компоненты углеводов, целлюлозы и гемицеллюлозы (C−O, C=O, C−H, C=C, C≡C и C−N). На диаграмме рентгеновской дифракции видно 4 дифракционных пика, включая 2 резких и интенсивных пика (2θ = 28° и 40°) с максимальной кристалличностью пика 71,73 % и размером кристалла 5,47 нм. Структура биоугля проанализирована с помощью сканирующей электронной микроскопии при увеличении 1000× и 5000×, что позволило выявить относительно плоскую, менее пористую поверхность. В биоугле обнаружены такие химические элементы, как углерод, кислород, алюминий, кремний, калий, кальций и железо. Основной элемент – углерод с атомным процентом 80,97 %.

Благодарности: Авторы выражают искреннюю признательность Корейскому институту энергетических исследований (KIER) за предоставление газификатора мощностью 20 кВт и генератора синтез-газа в рамках гранта № KIER-2023-05-03-01, что в большой степени поспособствовало успешному завершению данного исследования.

Сведения об авторах

Вахью Хидаят1*, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: F-8410-2017, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6015-1623
Фадилла Марта Амелия1, аспирант; ResearcherID: OSI-7581-2025, ORCID: https://orcid.org/0009-0005-7500-3825
Хендра Прасетиа2, д-р естеств. и техн. наук, гл. науч. сотр.; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3230-7918
Индра Гумай Фебрияно1, д-р лесохозяйств. наук, проф.; ResearcherID: AAW-4454-2021, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7242-656X
Бугае Парк3, руководитель отд. исследований и разработок; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4626-2351
Агус Харьянто1, д-р техн. наук, проф.; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8954-4463
1Университет Лампунга, г. Бандар-Лампунг, пров. Лампунг, Индонезия; wahyu.hidayat@fp.unila.ac.id*, fadillamarthaa@gmail.com, indra.gumay@fp.unila.ac.id, agus.haryanto@fp.unila.ac.id
2Национальное агентство исследований и инноваций Индонезии, Южный Лампунг, Индонезия; hend051@brin.go.id
3Компания SunBrand Industrial Inc., пров. Чолла-Намдо, Республика Корея; bu2000@hanmail.net

Ключевые слова

деготь, биоуголь, газогенератор с нисходящим потоком, древесные гранулы из каучука, газовая хроматография-масс-спектроскопия, рентгеновская дифракция, инфракрасная Фурье-спектроскопия, автоэмиссионная сканирующая электронная микроскопия / энергодисперсион

Для цитирования

Хидаят В., Амелия Ф.М., Прасетиа Х., Фебрияно И.Г., Парк Б., Харьянто А. Характеристика дегтя и биоугля при газификации гранул Hevea brasiliensis // Изв. вузов. Лесн. журн. 2026. № 5. С. 152–166. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2026-5-152-166

Литература

  1. Ahmad M., Lee S.S., Dou X., Mohan D., Sung J.K., Yang J.E., et al. Effects of Pyrolysis Temperature on Soybean Stover- and Peanut Shell-Derived Biochar Properties and TCE Adsorption in Water. Bioresource Technology, 2012, vol. 118, pp. 536–544. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.05.042

  2. Aldi N., Casari N., Pinelli M., Suman A., Vulpio A. Performance Degradation of a Shell-and-Tube Heat Exchanger Due to Tar Deposition. Energies, 2022, vol. 15, iss. 4, art. 1490. https://doi.org/10.3390/en15041490

  3. Altarawneh M., Ali L. Formation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) in Thermal Systems: A Comprehensive Mechanistic Review. Energy & Fuels, 2024, vol. 38(22), pp. 21735–21792. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.4c03513

  4. Bourke J., Manley-Harris M., Fushimi C., Dowaki K., Nunoura T., Antal M.J. Do All Carbonized Charcoals Have the Same Chemical Structure? 2. A Model of the Chemical Structure of Carbonized Charcoal. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2007, vol. 46(18), pp. 5954–5967. https://doi.org/10.1021/ie070415u

  5. Chakraborty I., Sathe S.M., Dubey B.K., Ghangrekar M.M. Waste-Derived Biochar: Applications and Future Perspective in Microbial Fuel Cells. Bioresource Technology, 2020, vol. 312, art. 123587. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.123587

  6. Chang S., Zhang Z., Cao L., Ma L., You S., Li W. Co-Gasification of Digestate and Lignite in a Downdraft Fixed Bed Gasifier: Effect of Temperature. Energy Conversion and Management, 2020, vol. 213, art. 112798. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.112798

  7. Chen C., Liang W., Fan F., Wang C. The Effect of Temperature on the Properties of Hydrochars Obtained by Hydrothermal Carbonization of Waste Camellia oleifera Shells. ACS Omega, 2021, vol. 6(25), pp. 16546–16552. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c01787

  8. Chen Y., Zhang X., Chen W., Yang H., Chen H. The Structure Evolution of Biochar from Biomass Pyrolysis and Its Correlation with Gas Pollutant Adsorption Performance. Bioresource Technology, 2017, vol. 246, art. 101–109. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.08.138

  9. Fatriasari W., Ridho M.R., Karimah A., Sudarmanto I., Amin Y., Ismayati M., et al. Characterization of Indonesian Banana Species as an Alternative Cellulose Fibers. Journal of Natural Fibers, 2022, vol. 19, iss. 16, pp. 14396–14413. https://doi.org/10.1080/15440478.2022.2064394

  10. Funke A., Ziegler F. Hydrothermal Carbonization of Biomass: A Summary and Discussion of Chemical Mechanisms for Process Engineering. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 2010, vol. 4, iss. 2, pp. 160–177. https://doi.org/10.1002/bbb.198

  11. Gholami P., Khataee A., Soltani R.D.C., Bhatnagar A. A Review on Carbon-Based Materials for Heterogeneous Sonocatalysis: Fundamentals, Properties and Applications. Ultrasonics Sonochemistry, 2019, vol. 58, art. 104681. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2019.104681

  12. Han J., Kim H. The Reduction and Control Technology of Tar During Biomass Gasification/Pyrolysis: An Overview. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2008, vol. 12, iss. 2, pp. 397–416. https://doi.org/10.1016/j.rser.2006.07.015

  13. Hossain M.A., Islam M.S., Hassan M.S., Motalib M.A., et al. Feasibility of Solar Pump for Sustainable Irrigation in Bangladesh. International Journal of Energy and Environmental Engineering, 2015, vol. 6, no. 2. https://doi.org/10.1007/s40095-015-0162-4

  14. Iwuozor K.O., Luque R., Emenike E.C., Adeniyi A.G. Self-Sustaining Valorization of Waste Tree Bark for Simultaneous Biochar, Soot, and Ash Production. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 2025, vol. 19, iss. 3, pp. 882–893. https://doi.org/10.1002/bbb.2747

  15. Izzatie N.I., Basha M.H., Uemura Y., Hashim M.S.M., Afendi M., Mazlan M.A.F. Co-Pyrolysis of Rubberwood Sawdust (RWS) and Polypropylene (PP) in a Fixed Bed Pyrolyzer. Journal of Mechanical Engineering and Sciences, 2019, vol. 13, no. 1, pp. 4636–4647. https://doi.org/10.15282/jmes.13.1.2019.20.0390

  16. Jadhav S., Avila J., Schöll M., Kovacs G.G., Kövari E., Skrabana R., et al. A Walk through Tau Therapeutic Strategies. Acta Neuropathologica Communications, 2019, vol. 7, art. 22. https://doi.org/10.1186/s40478-019-0664-z

  17. Jayanarasimhan A., Pathak R.M., Shivapuji A.M., Rao L. Tar Formation in Gasification Systems: A Holistic Review of Remediation Approaches and Removal Methods. ACS Omega, 2024, vol. 9(2), pp. 2060–2079. https://doi.org/10.1021/acsomega.3c04425

  18. Jindo K., Mizumoto H., Sawada Y., Sanchez-Monedero M.A., Sonoki T. Physical and Chemical Characterization of Biochars Derived from Different Agricultural Residues. Biogeosciences, 2014, vol. 11, iss. 23, pp. 6613–6621. https://doi.org/10.5194/bg-11-6613-2014

  19. Karimi A., Naghizadeh A., Biglari H., Peirovi R., Ghasemi A., Zarei A. Assessment of Human Health Risks and Pollution Index for Heavy Metals in Farmlands Irrigated by Effluents of Stabilization Ponds. Environmental Science and Pollution Research, 2020, vol. 27, pp. 10317–10327. https://doi.org/10.1007/s11356-020-07642-6

  20. Khaledi S., Delbari M., Galavi H., Bagheri H., Chari M.M. Effects of Biochar Particle Size, Biochar Application Rate, and Moisture Content on Thermal Properties of an Unsaturated Sandy Loam Soil. Soil and Tillage Research, 2023, vol. 226, art. 105579. https://doi.org/10.1016/j.still.2022.105579

  21. Khataee A., Gholami P., Kalderis D., Pachatouridou E., Konsolakis M. Preparation of Novel CeO₂-Biochar Nanocomposite for Sonocatalytic Degradation of a Textile Dye. Ultrasonics Sonochemistry, 2018, vol. 41, pp. 503–513. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2017.10.013

  22. Li D., Li C., Fan M., Shao Y., Sun Y., Zhang L., et al. Investigation of Property of Biochar in Staged Pyrolysis of Cellulose. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2023, vol. 172, art. 105999. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2023.105999

  23. Liang Y., Zhao X., Ma P.X., Guo B., Du Y., Han X. pH-Responsive Injectable Hydrogels with Mucosal Adhesiveness Based on Chitosan-Grafted-Dihydrocaffeic Acid and Oxidized Pullulan for Localized Drug Delivery. Journal of Colloid and Interface Science, 2019, vol. 536, pp. 224–234. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2018.10.056

  24. Libra J.A., Ro K.S., Kammann C., Funke A., Berge N.D., Neubauer Y., et al. Hydrothermal Carbonization of Biomass Residuals: A Comparative Review of the Chemistry, Processes and Applications of Wet and Dry Pyrolysis. Biofuels, 2011, vol. 2, iss. 1, pp. 71–106. https://doi.org/10.4155/bfs.10.81

  25. Lyutyy P., Bekhta P., Ortynska G., Sedliačik J. Formaldehyde, Phenol and Ammonia Emissions from Wood/Recycled Polyethylene Composites. Acta Facultatis Xylologiae Zvolen, 2017, vol. 59(1), pp. 107–112. https://doi.org/10.17423/afx.2017.59.1.10

  26. Matsumoto K., Yanagi T., Oe Y. Recent Advances in the Synthesis of Carboxylic Acid Esters. Carboxylic Acid – Key Role in Life Sciences. Ed. by G.I. Badea, G.L. Radu. IntechOpen, 2018, pp. 7–34. http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.74543

  27. Milne T.A., Evan R.J., Abatzoglu N. Biomass Gasifier “Tars”: Their Nature, Formation, and Conversion. National Renewable Energy Laboratory Report. Golden, Colorado, NREL, 1998. 68 p. https://doi.org/10.2172/3726

  28. Muvhiiwa R., Kuvarega A., Llana E.M., Muleja A. Study of Biochar from Pyrolysis and Gasification of Wood Pellets in a Nitrogen Plasma Reactor for Design of Biomass Processes. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2019, vol. 7, iss. 5, art. 103391. https://doi.org/10.1016/j.jece.2019.103391

  29. Novais S.V., Zenero M.D.O., Barreto M.S.C., Montes C.R., Cerri C.E.P. Phosphorus Removal from Eutrophic Water Using Modified Biochar. Science of the Total Environment, 2018, vol. 633, pp. 825–835. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.03.246

  30. Onwudili J.A., Nahil M.A., Wu C., Williams P.T. High Temperature Pyrolysis of Solid Products Obtained from Rapid Hydrothermal Pre-Processing of Pinewood Sawdust. RSC Advances, 2014, vol. 4, iss. 66, pp. 34784–34792. https://doi.org/10.1039/C4RA04761C

  31. Pereira V.V., Morales M.M., Pereira D.H., de Rezende F.A., de Souza Magalhães C.A., de Lima L.B., et al. Activated Biochar-Based Organomineral Fertilizer Delays Nitrogen Release and Reduces N2O Emission. Sustainability, 2022, vol. 14, iss. 19, art. 12388. https://doi.org/10.3390/su141912388

  32. Presidential Regulation No. 22/2017 on the National Energy Plan (RUEN). Government of Indonesia. 2017. 6 p. Available at: https://jdih.esdm.go.id/common/dokumen-external/Perpres%2022%20Tahun%202017.pdf (accessed 05.10.26). (In Indonesian).

  33. Reza M.S., Afroze S., Bakar M.S., Saidur R., Aslfattahi N., Taweekun J., Azad A.K. Biochar Characterization of Invasive Pennisetum purpureum Grass: Effect of Pyrolysis Temperature. Biochar, 2020, vol. 2, pp. 239–251. https://doi.org/10.1007/s42773-020-00048-0

  34. Shi L., Sessim M., Tonks M.R., Phillpot S.R. High-Temperature Oxidation of Carbon Fiber and Char by Molecular Dynamics Simulation. Carbon, 2021, vol. 185, pp. 449–463. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.09.038

  35. Smith B.C. The Infrared Spectra of Polymers, VI: Polymers with C-O Bonds. Spectroscopy, 2022, vol. 37, iss. 5, pp. 15–19. https://doi.org/10.56530/spectroscopy.ly3071f5

  36. Usowicz B., Lipiec J., Łukowski M., Marczewski W., Usowicz J. The Effect of Biochar Application on Thermal Properties and Albedo of Loess Soil under Grassland and Fallow. Soil and Tillage Research, 2016, vol. 164, pp. 45–51. https://doi.org/10.1016/j.still.2016.03.009

  37. Valderrama Rios M.L., González A.M., Lora E.E.S., Almazán del Olmo O.A. Reduction of Tar Generated during Biomass Gasification: A Review. Biomass and Bioenergy, 2018, vol. 108, pp. 345–370. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2017.12.002

  38. Vinturelle R., Cabral T.S., Oliveira P.C.O.d., Salles J., Faria J.V., Teixeira G.P., et al. Slow Pyrolysis of Terminalia catappa L. Municipal Solid Waste and the Use of the Aqueous Fraction Produced for Bovine Mastitis Control. Biochemistry and Biophysics Reports, 2024, vol. 38, art. 101704. https://doi.org/10.1016/j.bbrep.2024.101704

  39. Wang K., Remón J., Jiang Z., Ding W. Recent Advances in the Preparation and Application of Biochar Derived from Lignocellulosic Biomass: A Mini Review. Polymers, 2024, vol. 16, iss. 6, art. 851. https://doi.org/10.3390/polym16060851

  40. Wijitkosum S., Jiwnok P. Elemental Composition of Biochar Obtained from Agricultural Waste for Soil Amendment and Carbon Sequestration. Applied Sciences, 2019, vol. 9, iss. 19, art. 3980. https://doi.org/10.3390/app9193980

  41. Xiao L.-P., Shi Z.-J., Xu F., Sun R.-C. Hydrothermal Carbonization of Lignocellulosic Biomass. Bioresource Technology, 2012, vol. 118, pp. 619–623. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.05.060

  42. Xue Y., Guo Y., Zhang X., Kamali M., Aminabhavi T.M., Appels L., et al. Efficient Adsorptive Removal of Ciprofloxacin and Carbamazepine Using Modified Pinewood Biochar – A Kinetic, Mechanistic Study. Chemical Engineering Journal, 2022, vol. 450, part 1, art. 137896. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137896

  43. Yin Q., Liu M., Ren H. Biochar Produced from the Co-Pyrolysis of Sewage Sludge and Walnut Shell for Ammonium and Phosphate Adsorption from Water. Journal of Environmental Management, 2019, vol. 249, art. 109410. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.109410

  44. Zhang J., Huo H., Zhang L., Yang Y., Li H., Ren Y., et al. Effect of High-Temperature Hydrothermal Treatment on the Cellulose Derived from the Buxus Plant. Polymers, 2022, vol. 14, iss. 10, pp. 2053. https://doi.org/10.3390/polym14102053

  45. Zhao Z., Yan H., Gu L. An Electrocatalytic Mono-Functionalization of Alkenes towards Alkenyl Selenium Sulfonates. Chemical Communications, 2025, vol. 61, iss. 19, pp. 3868–3871. https://doi.org/10.1039/d4cc06246a

  46. Ziolkowska A., Debska B., Banach-Szott M. Transformations of Phenolic Compounds in Meadow Soils. Scientific Reports, 2020, vol. 10, art. 19330. https://doi.org/10.1038/s41598-020-76316-7