Gasification Reactivity and Pore Structure Development: Effect of Intermittent Addition of Steam on Increasing Reactivity of PKS Biochar with CO2
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Abstract:
Intermittent addition of steam was employed to increase the gasification reactivity of palm kernel shell biochar with CO2. The reactivity and variations in pore structures were initially assessed during CO2 and H2O-assisted gasification of biochars in a tube furnace, followed by characterization using thermogravimetric and surface area analysis. A quadratic orthogonal rotation regression combination design was used to investigate the effects of intermittent H2O addition on the total reaction time (t100%) of CO2 gasification. The achieving results showed that the formation of micropores with sizes of 0.3 to 1.5 nm was favored by CO2 gasification, while the reactivity of biochar was highly correlated with the surface area of micropores of 0.93 to 1.47 nm. A pore expansion effect was the primary phenomenon observed during H2O gasification, while the reactivity of biochar with H2O was closely related to the surface area of pores with specific sizes. CO2 and H2O react with the biochar on separate active sites, and micropores of 0.93–1.54 nm are produced in the early stage of H2O gasification, which enhances CO2 gasification. The intermittent addition of H2O increases the reactivity of biochar with CO2, such that the t100% value during CO2/intermittent H2O gasification is 31.89 and 15.80% lower than the values associated with using only CO2 or a simple mixture of CO2 and H2O.Keywords:
Reactivity
Thermogravimetric analysis
Palm kernel
Tube furnace
Specific surface area
Specific surface area
Tube furnace
Carbon fibers
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Thermogravimetric analysis
Tube furnace
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우리나라 과수 재배면적은 81천ha으로 단위 면적당 과수전정지 발생량은 1,742 kg 10a-1이며, 연 간 발생량은 1,411천톤으로 농업부산물 중 볏짚 다음으로 많이 발생된다. 이러한 과수전정지 중 잔가지는 파쇄하여 퇴비로 사용하며, 굵은 가지는 땔감으로 사용하거나 또는 과수원 내에 방치하고 있는 실정이다. 이에 과수전정지의 활용도를 높이면서 동시에 농업 및 환경정화제로 이용가능 한 biochar가 대두되기 시작하였다. Biochar는 혐기적 조건에서 열분해를 통해 얻은 숯으로 많은 연구진에 의해 탄소격리, 온실가스 저감, 토양개량제로서 효과 등이 구명되고 있다. 본 연구는 배, 복숭아, 사과 및 단감 재배포장에서 과실의 수확이 끝난 뒤 전정 작업을 통해 수거된 과수전정지 를 전기가열형 biochar 장치에서 열분해 온도 및 시간을 600℃, 6시간으로 조절하여 저속열분해 하였으며, 제조된 biochar의 수율, 무기성분 특성을 조사하였다. 과수전정지 종류별 제조된 biochar 의 수율은 사과나무 (22.46%) > 감나무 (25.25) > 배나무 (20.28%) > 복숭아나무 (18.86%)순으로 사과나무 및 감나무가 가장 높았다. 과수전정지 종류별 biochar의 pH는 원재료에 비해 증가하는 경향이었으며, 배나무, 복숭아나무, 사과나무, 감나무 원재료의 EC는 1.12, 0.95, 0.84, 1.04 dS m-1 인데 비해 열분해 후 EC는 14.7, 26.2, 12.8, 17.5 dS m-1로 급격히 증가하는 경향이었다. 과수전 정지 종류별 biochar의 T-N 함량은 원시료에 비해 증가하는 경향이었고, 과수전정지 종류별로 비 교했을 때 배나무가 1.47%로 가장 높았으며, 사과나무가 0.49%로 가장 낮은 함량을 보였다. 과수 전정지 종류별 T-P 함량은 별 다른 차이 없이 1.25-1.74% 범위였다. 과수전정지 종류별 biochar의 K의 함량은 원시료 0.13-0.35% 범위에서 열분해 후에는 0.93-1.25%의 범위로 증가하는 경향이었으며, Ca의 함량도 K와 동일한 경향이었으며, 복숭아나무에서 1.41%으로 가장 높았고, 배나무가 0.91로 가장 낮았다. 과수 전정지 종류별 Mg의 함량은 사과나무에서 2,011 mg kg-1이었으며, 사과 나무를 제외한 전정지의 경우는 1,745-1,790 mg kg-1의 범위로 별 차이 없었다. 이상의 결과를 미루어 볼 때, 전기가열식 열분해 과정을 통해 생산된 과수전정지 biochar는 다량의 무기성분 함유하고 있었으며, 특히 농업적으로 이용시 화학비료의 절감 효과를 기대할 수 있을 것이라 판단된다.
Charcoal
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Biochar production from agricultural wastes via low temperature microwave pyrolysis is discussed in the present work as an alternative to the time and energy consuming conventional carbonization. The characteristics of biochar produced from palm kernel shell (PKC), wood chips (WCC) and sago waste (SWC) produced from microwave pyrolysis were investigated. The maximum calorific value of PKC, WCC and SWC in this study was 29.04, 24.89 and 25.99 MJ/kg respectively. FTIR analysis reveals that the biochars contain O-H, C-H and C=C functional groups, while the SEM analysis showed the formation of porous structure of biochars carbonized at lower temperature for all samples. Results indicated the potential use of these biochar as fuel material and precursor for activated carbon.
Palm kernel
Charcoal
Heat of combustion
Carbon fibers
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Dried pomelo peel waste was employed as raw material and heated separately via three different thermal treatment methods which are vacuum tube furnace (700 °C, 300 ∼ 1 × 10−5 Pa), muffle furnace (300 °C in air) and hydrothermal treatment in an oven (200 °C, sealed). Therefore, three kinds of amorphous porous carbon were obtained and named as S1, S2 and S3, respectively. XRD, SEM, EDS, specific surface area and pore size analyzer have been used to characterize the morphology, composition and porosity of the biochar materials which show 3 dimensional porous framework morphologies, but only S1 possesses highest specific surface area (464.96m2/g) among the 3 biochar materials. The electrochemical properties were characterized via galvanostatic charge/discharge method, cyclic voltammetry (CV) and AC impedance. After 100 cycles of charge and discharge process, the specific capacity of the biochar S1 maintained 297.0mAh/g. The specific capacity of S2 was 103.3mAh/g and the specific capacity of S3 is 106.0mAh/g. Thus, S1 exhibits a high specific surface area and excellent electrochemical performance which may have potential application due to low cost of the biochar prepared from pomelo peel wastes.
Muffle furnace
Specific surface area
Tube furnace
Carbon fibers
Thermal Treatment
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This chapter contains sections titled: Introduction Preparation Methods of Biochar Physico-chemical Characterization of Plant-Based Biochar Biochar for Heavy Metal Removal Biochar for Dye Removal Biochar for Fluoride Removal Biochar for Persistent Organic Pollutant Removal Biochar for Other Pollutant Removal Biochar for Soil Treatment/Improvement Conclusion Acknowledgments
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작물 생육을 위한 토양의 질 평가는 크게 토양의 물리적 특성과 화학적 특성으로 구분할 수 있다. 이에 본 연구는 biochar 시용이 토양환경에 미치는 영향을 조사하기 위해 보릿짚을 이용하여 biochar로 제조하였으며, 전라남도 광양시 광양읍 세풍리에 위치한 배추 재배지에서 진행되었다. 배추 재배는 2015년 8월부터 11월까지 진행되었으며, 토양채취는 배추 이식 후 75일째에 채취하여 입도, pH, EC, O.M, T-N, Avail. P2O5 및 CEC를 조사하였다. 처리조건은 대조구(Cn)와 biochar 처리구(BC), 무기질 비료 처리구(IF), 그리고 biochar와 무기질 비료를 동시에 시용한 처리구 (BC+HIF)를 두었다. Biochar + 무기질 비료 처리구는 무기질 비료의 시용량은 기존시비량 대비절반으로 줄여서 시비하였다. Biochar 시용에 따른 토양의 입도를 분석한 결과 Cn 및 IF 처리구의 경우에는 0.1 mm 미만의 입도가 약 40%를 차지하고 있었으나, biochar를 시용한 처리구에서는 0.1 mm 미만의 입도가 약 29% 정도로 감소하는 결과를 나타내었다. 이로 인해 biochar 시용 처리구의 토양 입도는 0.1-0.5 mm의 입도가 증가되어 토양입단화가 향상되었다. 토양내 pH 및 EC 는 5.36-5.78 및 0.33-0.55 dS m-1 범위로 biochar 시용 처리구에서 약간 증가되는 경향으로 조사되었고, 유기물 함량은 전반적으로 biochar를 시용한 처리구에서 높았으나, 큰 차이는 없었다. 토양의 T-N 및 Avail. P2O5 함량은 각각 1.39-1.68 g kg-1 및 123-142 mg kg-1 범위로 조사되었으며, Cn 처리구를 제외한 나머지 처리구에서 큰 차이 없이 비슷하게 조사되었다. 토양내 CEC는 BC+HIF ≥ BC > IF > Cn 처리구 순으로 biochar 시용 처리구에서 높은 CEC를 나타내었다. 이와 같은 결과는 biochar의 경우 CEC가 높은 특성을 가지고 있어, 토양에 영향을 준 것으로 판단된다. 이사의 결과로 미루어 볼 때 biochar의 시용은 토양의 입단을 형성하고, pH 및 CEC를 증가시켜 작물의 생육에 필요한 환경을 만들어 주는 것으로 판단되어, 토양 비옥도가 낮은 우리나라 농업환경에 효과적일 것으로 판단된다.
Cation-exchange capacity
Charcoal
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在西南的澳大利亚的土壤高度被捱过并且在为农业生产的营养素缺乏。biochar 的增加作为改进土壤 C 存储，质地和这些土壤的滋养的保留的一个平均数被建议了。在在这个区域的沙的土壤的克莱改正是过去常改进土壤条件的一个管理惯例，包括水抵抗性。在这研究，木质的 biochar (Simcoa biochar ) 用扫描电子被描述显微镜学在前，和四个星期在以后，它被合并到每在泥土内容和有机物不同的四土壤。在在土壤的孵化显示出土壤粒子的附件的不同的度到 biochar 以后，扫描 Simcoa biochar 的电子显微镜学出现在 28 d 以后。另外，三 biochars， Simcoa biochar，激活的 biochar 和 Wundowie biochar 的效果，在土壤上，微生物引起的生物资源 C 和土壤呼吸在一个短期的孵化实验被调查。所有三 biochars 将有更大的潜力增加土壤，这是 hypothesised 在土壤的微生物引起的活动那有的更高的有机物和泥土。在在土壤的 28-d 孵化以后，所有三 biochars 在粘土似的土壤导致了更高微生物引起的生物资源 C，但是在以前这次，不太显著的差别在跟随 biochar 申请的四土壤之中在微生物引起的生物资源 C 被观察。
Charcoal
Slash-and-char
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Biochar는 산소가 없는 혐기조건에서 유기물질을 열분해하여 얻은 물질로 제조된 biochar는 토양에 투입되어 기후변화를 완화 시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 본 연구는 브로콜리 재배시biochar를 수준별로 토양에 투입한 후 토양으로부터 배출되는 온실가스 발생량을 조사하였다. Biochar제조를 위한 원료는 대나무(B)를 이용하였고, 400℃에서 4시간 동안 열분해하여 biochar를 제조하였다. 제조된 biochar를 무처리구, 비료처리구, biochar 50 kg 10-1 (B50), biochar 100 kg 10a-1 (B100) 및 biochar 200 kg 10a-1 (B200) 처리구로 나누어 브로콜리 재배토양에 투입하여 5일간격으로 총 60일 동안 토양으로부터 발생되는 CH4 및 N2O 발생량을 조사하였고, 이를 이용하여 기본배출계수로 환산하여 브로콜리 생육 60일 동안의 CH4 및 N2O의 총 배출량과 저감효율을 조사하였다. 대나무 biochar의 처리조건에 따른 토양내 CH4의 발생량은 생육 5일째에 무처리구, 비료처리구, B50, B100 및 B200 처리구에서 각각 11.17, 10.58, 9.15, 6.12 및 5.31 mg CH4 m-2 hr-1으로 조사되었고, 이후 재배기간에도 무처리구의 CH4 발생량이 나머지 처리구에 비해 가장 높게 지속되었다. 브로콜리 재배시 N2O 발생량은 비료처리구에서 전 생육기간 동안 가장 높은 N2O 발생량을 보였으며, biochar 투입량이 많을수록 N2O의 발생량이 점점 감소하는 경향이었다. 대나무biochar 시용량에 따른 온실가스의 기본배출계수 및 총 배출량은 CH4의 경우 전반적으로 무처리구에서 가장 높았고, N2O의 경우 비료처리구가 가장 높았다. 대나무 biochar 시용시 온실가스의 저감효율을 평가한 결과, CH4의 경우 무처리구 대비 17~44%의 저감효율을 보였고, 비료처리구 대비 10~39%의 저감효율을 보였으며, N2O의 경우는 비료처리구 대비 9~15%의 저감효율을 보였다.
Charcoal
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The combustion behavior and characteristics of oil palm residues − empty fruit bunch (EFB) and palm kernel shell (PKS) − were investigated in a thermogravimetric analyzer. A 15-mg sample of each biomass was heated from 30 °C to 900 °C at four heating rates (within 10−40 °C/min) in a dry air flow of 50 ml/min. The TG/DTG curves showing the degradation behavior and the combustion characteristics (specific temperatures) of the EFB and PKS samples were obtained from the thermogravimetric analysis and compared between the two biomasses. The kinetic equation with relevant parameters describing the time dependant biomass degradation was obtained for each oil palm residue according to the Coats-Redfern method. The findings revealed the excellent combustion properties of both selected biomasses. However, EFB exhibited higher thermal and combustion reactivity compared to PKS.
Thermogravimetric analysis
Palm kernel
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