Home About Browse Search
Svenska


Spectroscopic characterization of lignocellulosic biomass

Thyrel, Mikael (2014). Spectroscopic characterization of lignocellulosic biomass. Diss. (sammanfattning/summary) Umeå : Sveriges lantbruksuniv., Acta Universitatis agriculturae Sueciae, 1652-6880 ; 2014:101
ISBN 978-91-576-8150-8
eISBN 978-91-576-8151-5
[Doctoral thesis]

[img]
Preview
PDF
1MB

Abstract

This thesis focuses on characterization of organic components and inorganic elements in lignocellulosic biomass. The chosen biomass models were mostly wood from conifers and straw from rhizomatous grasses but also forest-based residues and agro-based plants. X-ray fluorescence (XRF) and near infrared (NIR) spectroscopy are techniques that can potentially be incorporated in a future biorefinery concept, where characterization of the feedstock is crucial due to the heterogeneous nature of biomass.

XRF spectroscopy combined with principal component analysis (PCA) was used to classify a number of different biomass materials. Moreover, partial least squares regression calibration models were developed for several ash elements and ash content with good predictive capabilities. The capability of XRF and NIR spectroscopy to measure ash content in biomass was investigated and it was concluded that XRF spectroscopy was the superior method of the two, especially for measuring contaminated material. If the two techniques were used in conjunction, it was possible to estimate the degree of contamination. In an additional study into the potential for future separation techniques, it was shown that the 2D-NIR technique is useful for classifying wood chips, as well as identifying individual wood chips with high extractive content.

Synchrotron-based X-ray absorption techniques such as X-ray absorption near edge structure (XANES) and scanning transmission X-ray microscopy (STXM) based near edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy were used to study the effect of thermal treatment of lignocellulosic material at 300 to 800 °C and low O2 partial pressures. PCA modelling of Ca XANES spectra in combination with linear fitting of spectra from reference compounds mainly confirmed the results from calculated theoretical thermodynamic models. The results from STXM C 1s NEXAFS spectroscopy showed that thermal treatment up to 300 °C induced only minor change in plant cell walls and that the major decomposition of the carbon matrix occurred between 300 and 500 °C. Nanomapping of Ca by STXM revealed a size distribution of calcium crystals mainly within the 100 to 200 nm range, which might provide an insight into the volatile behaviour of Ca in combustion processes.

Authors/Creators:Thyrel, Mikael
Title:Spectroscopic characterization of lignocellulosic biomass
Alternative abstract:
LanguageAbstract
Swedish

Spektroskopisk karakterisering av växtbiomassa

Biomassa uppvisar stor kemisk heterogenitet vilket innebär att dess karakterisering är en hörnsten för styrning och kontroll av användningen i bioraffinaderier och bioenergikombinat. Denna karakterisering av såväl organiska beståndsdelar som oorganiska ämnen i växtbiomassa har studerats med spektroskopiska tekniker inom det nära infraröda (NIR) våglängdsområdet, men främst inom röntgenområdet. De röntgentekniker som användes var spektroskopi med röntgenfluorescens (XRF) och synkrotronbaserad röntgenabsorption vid-nära-kant strukturer (XANES) och vid-nära-kant finstrukturer (NEXAFS) samt skannande transmissionmikroskopi (STXM) ner till nanoskala. Biomassamodeller som använts är träbränslen från barrträd och stråbränslen från rhizomgräs men även avverkningsrester från skog och åker.

Med NIR-baserade bilder av flisbitar på ett transportband kunde bitar med högt innehåll av extraktivämnen identifieras. Detta öppnar möjligheter att sortera ut vedflis för att framställa t.ex. biooljor. Med XRF modellerad med principalkomponentanalys (PCA) var det möjligt att särskilja och klassificera olika biomassamaterial. Dessutom visade kalibreringar konstruerade utifrån XRF-spektra och regression med partiella minstakvadrater (PLS) till referenser på en generellt god prediktiv förmåga för biomassans askhalt och askelement som P, K, Si, Na och Al. Genom att jämföra XRF-signalen från oorganiska element med NIR-signalen som bl.a. avläser de störningar inbäddade askelement orsakar bland materialets organiska bindningar kunde också graden av kontaminering av t.ex. oorganiska ämnen i biomassaprover uppskattas.

Effekten av termisk behandling (300-800 °C) av biomaterial vid låga syretryck studerades med synkrotron XANES, STXM och NEXAFS. De nya data som PCA modellering av calcium (Ca) XANES-spektra genererade i kombination med linjär kombinationsanpassning av spektra från relevanta Ca-föreningar verifierade i huvudsak de teoretiskt beräknade termodynamiska Ca-faserna. Resultaten från STXM och NEXAFS visade att termisk behandling upp till 300 °C hade moderat påverkan på cellväggens kolstruktur medan temperaturer mellan 300 och 500 °C resulterade i tydlig nedbrytning av cellväggens kolmatris. Nanokartering av Ca-kristallstrukturer i växtcellerna visade på en fördelning som var förskjuten mot submikrona kristaller (100 till 200 nm) vilket kan bidra till att förklara det icke-förväntade volatila beteendet Ca visat i förbränningsprocesser. Resultaten illustrerar möjligheter att minska askrelaterade problem vid främst pyrolys, förgasning och förbränning. Sammantaget indikerar de också en väg att i framtiden direkt via spektroskopiska data at-line modellberäkna askämnenas faser för olika termiska processer. Detta ökar potentialen att optimera sådana processer nedströms t.ex. genom lämplig biomassamix.

Series/Journal:Acta Universitatis agriculturae Sueciae (1652-6880)
Year of publishing :14 November 2014
Depositing date:14 November 2014
Volume:2014:101
Number of Pages:80
Papers/manuscripts:
NumberReferences
I.Thyrel, M., Samuelsson, R., Finell, M., Lestander, T.A. (2013). Critical ash elements in biorefinery feedstock determined by X-ray spectroscopy Applied Energy 102: 1288–1294.
II.Lestander, T. A., Geladi, P., Larsson, S.H., Thyrel, M. (2012). Near infrared image analysis for online identification and separation of wood chips with elevated levels of extractives Journal of Near Infrared Spectroscopy 20 (5): 591–599.
III.Thyrel, M., Aulin, R., Lestander, T.A. (2014). Ash content determination of CHP feedstock by ED-XRF and NIR. Submitted manuscript.
IV.Thyrel, M., Backman, R., Skyllberg, U., Lestander, T.A. (2014). K-edge XANES characterization of Ca components in thermotreated lignocellulosic biomass destined for pyrolysis or gasification. Manuscript.
V.Thyrel, M., Backman, R., Thånell, K., Karunakaran, C., Skyllberg, U., Lestander, T.A. (2014). Nanomapping and speciation of C and Ca in thermotreated lignocellulosic cell walls using scanning transmission X-ray microscopy and K-edge XANES. Submitted manuscript.
Place of Publication:Umeå
Publisher:Institutionen för skogens biomaterial och teknologi, Sveriges lantbruksuniversitett
ISBN for printed version:978-91-576-8150-8
ISBN for electronic version:978-91-576-8151-5
ISSN:1652-6880
Language:English
Publication Type:Doctoral thesis
Full Text Status:Public
Agris subject categories.:K Forestry > K50 Processing of forest products
P Natural resources > P06 Renewable energy resources
Subjects:(A) Swedish standard research categories 2011 > 1 Natural sciences > 104 Chemical Sciences > Inorganic Chemistry
(A) Swedish standard research categories 2011 > 2 Engineering and Technology > 204 Chemical Engineering > Other Chemical Engineering
Agrovoc terms:biomass, wood, grasses, lignocellulose, properties, x ray spectroscopy, infrared spectrophotometry, heat treatment, ash content, calcium, wood extracts, renewable bioresources
Keywords:wood, grass, XRF, NIR, FT-IR, XANES, STXM, NEXAFS, extractives, thermotreatment, ash elements, calcium
URN:NBN:urn:nbn:se:slu:epsilon-e-2221
Permanent URL:
http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:slu:epsilon-e-2221
ID Code:11652
Faculty:S - Faculty of Forest Sciences
Department:(S) > Department of Forest Biomaterials and Technology (from 131204)
External funders:Bio4energy and Energimyndigheten
Deposited By: Mr Mikael Thyrel
Deposited On:17 Nov 2014 13:05
Metadata Last Modified:14 Dec 2014 00:10

Repository Staff Only: item control page

Downloads

Downloads per year (since September 2012)

View more statistics

Downloads
Hits