Epsilon Open Archive

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.