مجله بین‌المللی انجمن آهن و فولاد ایران

مجله بین‌المللی انجمن آهن و فولاد ایران

بایوچار مشتق شده از کنجاله کانولا به عنوان منبع کربن تجدیدپذیر برای کاهش مصرف کربن فسیلی و انتشار گازهای گلخانه‌ای در تولید فروسیلیکون و آهن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشکده فنی مهندسی گلپایگان، دانشگاه صنعتی اصفهان
چکیده
این پژوهش امکان‌سنجی استفاده از کنجاله کلزا به‌عنوان ماده اولیه برای تولید بیوچار را بررسی می‌کند. پس از خشک‌کردن و آسیاب‌کردن، نمونه‌ها تحت فرآیند پیرولیز آهسته در دماهای 350 و 500 درجه سانتی‌گراد قرار گرفتند و ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی بیوچارهای حاصل با استفاده از آزمون‌های CHNS، طیف‌سنجی FTIR، طیف‌سنجی رامان، آنالیزهای TG/DTG و DSC مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج آزمون CHNS نشان داد که بیوچار تولیدشده در دمای 350 درجه سانتی‌گراد دارای 48/75 درصد کربن بوده و نسبت H/C بالاتری نسبت به نمونه 500 درجه سانتی‌گراد دارد که بیانگر وجود ترکیبات آلی باقیمانده و ساختاری با آروماتیسیته کمتر است. نتایج FTIR کاهش باندهای C=C و افزایش گروه‌های کربونیل را با افزایش دمای پیرولیز تأیید کرد. طیف‌های رامان نشان دادند که ساختار کربنی بیوچار تولیدشده در دمای 350 درجه سانتی‌گراد عمدتاً آمورف (نوع D1) بوده و افزایش نسبت ID/IG حاکی از افزایش بی‌نظمی ساختاری ناشی از فرآیند پیرولیز است. نتایج TG/DTG و DSC نیز بیانگر آن بود که بیوچار حاصل از کنجاله کلزا از پایداری حرارتی مناسبی برخوردار است و برای تخریب حرارتی به انرژی کمتری نسبت به مواد کربنی فسیلی نیاز دارد. با توجه به میزان مناسب کربن، مقدار ناچیز گوگرد و مقاومت حرارتی مطلوب، کنجاله کلزا می‌تواند به‌عنوان یک منبع پایدار و تجدیدپذیر برای تولید بیوچار و همچنین جایگزینی بخشی از کربن فسیلی در صنایع متالورژیکی، از جمله تولید فروسیلیسیم و آهن اسفنجی، مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] Norgate T, et al. Biomass as a source of renewable carbon for iron and steelmaking, ISIJ Int. 2012; 52(8): 1472–1481.
[2] Jahanshahi S, et al. Development of low-emission integrated steelmaking process, J Sustain Metall. 2015; 1(1): 94–114.
[3] Jahanshahi S, et al. Biomass: providing a low capital route to low net CO2. In: IEAGHG/IETS Iron and Steel Industry CCUS and Process Integration Workshop, 2013.
[4] Haque N, Norgate T, Estimation of greenhouse gas emissions from ferroalloy production using life cycle assessment with particular reference to Australia, J Clean Prod. 2013; 39: 220–230.
[5] Sommerfeld M, Friedrich B, Replacing fossil carbon in the production of ferroalloys with a focus on bio-based carbon: a review, Minerals. 2021; 11(11): 1286.
[6] Grønnli M, et al. The use of biocarbon in Norwegian ferroalloy production, Infacon. 2001; 9: 268–276.
[7] Surup G.R, Trubetskaya A, Tangstad M, Life cycle assessment of renewable reductants in the ferromanganese alloy production: a review, Processes. 2021; 9(1): 185. 
[8] Dall’Osto G, et al. Biochar and other carbonaceous materials used in steelmaking: possibilities and synergies for power generation by direct carbon fuel cell, Biomass Bioenergy. 2023; 177: 106930.
[9] Conz R.F, et al. Effect of pyrolysis temperature and feedstock type on agricultural properties and stability of biochars, Agric Sci. 2017; 8(9): 914.
[10] Han Y, Tangstad M, Metallurgical properties of biocarbon in ferroalloy production: a review, ACS Omega. 2024; 9(23): 24142–24162.
[11] Krysanova K, Krylova A, Zaichenko V, Properties of biochar obtained by hydrothermal carbonization and torrefaction of peat, Fuel. 2019; 256: 115929.
[12] Crombie K, et al. The effect of pyrolysis conditions on biochar stability as determined by three methods, GCB Bioenergy. 2013; 5(2): 122–131.
[13] Garcia-Perez M, Lewis T, Kruger C, Methods for producing biochar and advanced biofuels in Washington State, Part 1. 2010: 137.
[14] Meyer S, Glaser B, Quicker P, Technical, economical, and climate-related aspects of biochar production technologies: a literature review, Environ Sci Technol. 2011; 45(22): 9473–9483.
[15] Brown R, Biochar production technology, In: Biochar for environmental management. Routledge. 2012: 159–178.
[16] Al-Rumaihi A, et al. A review of pyrolysis technologies and feedstock: a blending approach for plastic and biomass towards optimum biochar yield, Renew Sustain Energy Rev. 2022; 167: 112715. 
[17] Titiladunayo I.F, McDonald A.G, Fapetu O.P, Effect of temperature on biochar product yield from selected lignocellulosic biomass in a pyrolysis process, Waste Biomass Valor. 2012; 3: 311–318.
[18] Sun J, et al. Effects of pyrolysis temperature and residence time on physicochemical properties of different biochar types, Acta Agric Scand B Soil Plant Sci. 2017; 67(1): 12–22.
[19] Angın D, Effect of pyrolysis temperature and heating rate on biochar obtained from pyrolysis of safflower seed press cake, Bioresour Technol. 2013; 128: 593–597.
 [20] Demirbaş A, Relationships between lignin contents and fixed carbon contents of biomass samples, Energy Convers Manag. 2003; 44(9): 1481–1486.
[21] Xiao R, et al. The physicochemical properties of different biomass ashes at different ashing temperature, Renew Energy. 2011; 36(1): 244–249.
[22] Devi P, Saroha A.K, Effect of pyrolysis temperature on polycyclic aromatic hydrocarbons toxicity and sorption behaviour of biochars prepared by pyrolysis of paper mill effluent treatment plant sludge, Bioresour Technol. 2015; 192: 312–320.
[23] Lehmann J, Joseph S, Biochar for environmental management: science, technology and implementation. 2024.
[24] Chauhan J, Choudhury P, Singh K, Production, varietal improvement programme and seed availability of annual oilseeds in India: current scenario and future prospects, J Oilseeds Res. 2021; 38(1): 1–18.
[25] Oskoueian E, et al. Bioactive compounds, antioxidant, xanthine oxidase inhibitory, tyrosinase inhibitory and anti-inflammatory activities of selected agro-industrial by-products, Int J Mol Sci. 2011; 12(12): 8610–8625.
[26] Chung K.T, Wei C.I, Johnson M.G, Are tannins a double-edged sword in biology and health? Trends Food Sci Technol. 1998; 9(4): 168–175.
[27] Channiwala S.A, Parikh P, A unified correlation for estimating HHV of solid, liquid and gaseous fuels, Fuel. 2002; 81(8): 1051–1063.
[28] Sun Y, et al. Pyrolysis behaviors of rapeseed meal: products distribution and properties, Biomass Convers Biorefinery. 2021; 1–16.
[29] Oni B.A, Oziegbe O, Olawole O.O, Significance of biochar application to the environment and economy, Ann Agric Sci. 2019; 64(2): 222–236.
[30] Myrvågnes V, Lindstad T, The importance of coal and coke properties in the production of high silicon alloys, In: Innovations in Ferro Alloy Industry. 2007: 18–21.
[31] Mazurek K, et al. New separation material obtained from waste rapeseed cake for copper(II) and zinc(II) removal from the industrial wastewater, Materials. 2021; 14(10): 2566.
[32] Ge L, et al. Improvement of Pine Sawdust Bio-Coke Properties Through Lignin Addition and its Synergistic Effect, SSRN. Available at SSRN 5137698.
[33] Yunos N.F.M, et al. Effect of using Palm Char and Coke as a Reductant in Production of Ferrosilicon. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering.2020.
[34] Lin X, et al. Insights into the functional group transformation of a Chinese brown coal during slow pyrolysis by combining various experiments, Fuel. 2014; 118: 257–264.
[35] Oh S.Y, et al. FTIR analysis of cellulose treated with sodium hydroxide and carbon dioxide, Carbohydr Res. 2005; 340(3): 417–428.
[36] Chia C.H, et al. Imaging of mineral-enriched biochar by FTIR, Raman and SEM–EDX, Vibrational Spectroscopy. 2012; 62: 248–257.
[37] Zhang H, et al. Promotional effect of NH3 on mercury removal over biochar thorough chlorine functional group transformation, J Clean Prod. 2020; 257: 120598.
[38] Acquafresca J, Raman spectroscopy on biochar. 2018.
[39] Ferrari A.C, Robertson J, Raman spectroscopy of amorphous, nanostructured, diamond–like carbon, and nanodiamond. Philos Trans R Soc Lond A Math Phys Eng Sci. 2004; 362(1824): 2477–2512.
[40] Sparavigna A.C, Pyrene and Biochar (Raman Spectroscopy). 2024.
[41] Mallick D, et al. Discernment of synergism in pyrolysis of biomass blends using thermogravimetric analysis, Bioresour Technol. 2018; 261: 294–305.
[42] Rambabu N, et al. Production, characterization, and evaluation of activated carbons from de-oiled canola meal for environmental applications, Ind Crops Prod. 2015; 65: 572–581.
[43] Leifeld J, Thermal stability of black carbon characterised by oxidative differential scanning calorimetry, Org Geochem. 2007; 38(1): 112–127. [44] Kijo-Kleczkowska A, et al. Comparative thermal analysis of coal fuels, biomass, fly ash and polyamide, Energy. 2022; 258: 124840.