Thermogravimetric analysis of biomass and compounds (cellulose, hemicellulose and lignin)

Autor: Carvalho, Natália Rodrigues de
Přispěvatelé: Yamaji, Fabio Minoru, Nakashima, Gabriela Tami
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2022
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFSCAR
Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron:UFSCAR
Popis: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Lignocellulosic biomass is one of the renewable energies indicated in the replacement of fossil fuels for the production of bioenergy and mitigation of climate change, given its wide distribution and quantity, considering the different types of biomass and its residues. However, it is necessary to study the thermal behavior of biomass in order to achieve greater energy efficiency. A usual methodology to understand the thermal behavior of biomass is thermogravimetric analysis (TGA). As lignocellulosic biomass has a complex and heterogeneous composition, in TGA the decomposition ranges of its compounds overlap at some points. Thus, thermogravimetric analysis of biomass-cellulose, hemicellulose and lignin compounds has been used; in order to elucidate the degradation ranges and parameters of each constituent separately and how they interfere in the thermal degradation of in natura biomass. The objective of this work was to thermally analyze the biomass of eucalyptus wood chips and sugarcane bagasse, as well as their compounds – cellulose, hemicellulose and lignin; in order to understand more about the combustion and pyrolysis processes of biomass. Proximate analysis and chemical analysis of the biomasses were performed to obtain the components of the biomass and analyze in thermogravimetry. The materials analyzed were: microcrystalline cellulose, cotton, xylose, kraft and organosolv lignins, eucalyptus chips (in natura, without extractives, holocellulose, alphacellulose, lignin) and sugarcane bagasse (in natura, without extractives, holocellulose, alphacellulose, lignin). The xylose DTG curve showed two degradation peaks before 350 °C and stabilized the degradation near 400 °C, indicating less resistance to thermal degradation. The DTG curves for cotton, microcrystalline cellulose, alpha cellulose from eucalyptus chips and alpha cellulose from sugarcane bagasse showed a narrow degradation range and a sharp peak of maximum degradation around 300-400 °C. The DTG curves of lignins (kraft lignin, orgnosolv lignin, eucalyptus lignin and bagasse lignin) showed a less pronounced degradation, covering wide temperature ranges - between 270 and 560 °C, proving the stability and resistance of the material to thermal degradation. Sugarcane bagasse proved to be more thermally stable than eucalyptus. In general, for both eucalyptus and bagasse, the TG and DTG curves of in natura biomass, without extractives, holocellulose and alphacellulose were similar, but there was a gradual omission of the peak corresponding to the deflection temperature before the point of deflection. maximum decomposition (Tsh) and the narrowing of the base of the maximum degradation peak in the DTG curve, a behavior that is probably associated with the loss of secondary/extractive compounds and hemicellulose. To accurately plot the TG and DTG curves, as well as perform kinetic studies, it is recommended to use different heating rates. A biomassa lignocelulósica é uma das energias renováveis indicada na substituição dos combustíveis fósseis para a produção de bioenergia e mitigação das mudanças climáticas, visto sua ampla distribuição e quantidade, considerando-se os diversos tipos de biomassa e seus resíduos. No entanto, é necessário estudar o comportamento térmico da biomassa para que se adquira maior eficiência energética. Uma metodologia usual para compreender o comportamento térmico da biomassa é a análise termogravimétrica (TGA). Como a biomassa lignocelulósica possui composição complexa e heterogênea, na TGA as faixas de decomposição de seus compostos se sobrepõem em alguns pontos. Desse modo, têm sido utilizada a análise termogravimétrica dos compostos da biomassa- celulose, hemicelulose e lignina; a fim de elucidar as faixas de degradação e os parâmetros de cada constituinte isoladamente e como eles interferem na degradação térmica da biomassa in natura. O objetivo do trabalho foi analisar termicamente as biomassas cavaco de eucalipto e bagaço de cana-de-açúcar, bem como seus compostos – celulose, hemicelulose e lignina; a fim de compreender mais acerca dos processos de combustão e pirólise das biomassas. Foi realizada análise imediata e análise química das biomassas para obter os componentes da biomassa e analisar em termogravimetria. Os materiais analisados foram: celulose microcristalina, algodão, xilose, ligninas kraft e organosolv, cavaco de eucalipto (in natura, sem extrativos, holocelulose, alfacelulose, lignina) e bagaço de cana-de-açúcar (in natura, sem extrativos, holocelulose, alfacelulose, lignina). A curva DTG da xilose apresentou dois picos de degradação antes de 350 °C e estabilizou a degradação próximo a 400 °C, indicando menor resistência a degradação térmica. As curvas DTG do algodão, celulose microcristalina, alfacelulose de cavaco de eucalipto e alfacelulose de bagaço de cana-de-açúcar apresentaram faixa de degradação estreita e pico de degradação máxima acentuado entorno de 300-400 °C. As curvas DTG das ligninas (lignina kraft, lignina orgnosolv, lignina do eucalipto e lignina do bagaço) registraram uma degradação menos acentuada, abrangendo amplas faixas de temperatura- entre 270 e 560 °C, comprovando a estabilidade e resistência do material a degradação térmica. O bagaço de cana-de-açúcar demonstrou ser mais estável termicamente que o eucalipto. De maneira geral, tanto para o eucalipto como para o bagaço, as curvas TG e DTG da biomassa in natura, sem extrativos, holocelulose e alfacelulose foram semelhantes, mas observa-se a omissão gradativa do pico correspondente a temperatura de deflexão antes do ponto de decomposição máxima (Tsh) e o estreitamento da base do pico de degradação máxima na curva DTG, comportamento este que provavelmente está associado a perda de compostos secundários/extrativos e da hemicelulose. Para traçar precisamente as curvas TG e DTG, bem como realizar estudos cinéticos, recomenda-se o uso de diferentes taxas de aquecimento.
Databáze: OpenAIRE
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