Вода в растительной биомассе не просто мешает её переработке, а может активно влиять на процесс пиролиза и повышать выход конечного продукта – биоугля. К такому выводу пришла группа исследователей, чья работа опубликована в научном журнале Biochar.
Традиционно биомассу, например свежесобранное сырьё с высоким содержанием влаги, высушивают перед пиролизом – термическим разложением в бескислородной среде. Однако новое исследование показывает, что такой подход не всегда оптимален. Изучив пиролиз целлюлозы, лигнина и рисовой соломы с разной влажностью, учёные обнаружили, что и свободная, и связанная вода в сырье замедляют интенсивность реакций и увеличивают итоговый выход биоугля.
Исследователи выяснили, что разные формы воды по-разному взаимодействуют с компонентами биомассы. Связанная вода, соединённая с растительными полимерами водородными связями, снижает энергию активации гемицеллюлозы. В результате этот компонент разлагается легче и при более низких температурах. В то же время связанная вода, наоборот, повышает термическую стабильность целлюлозы, укрепляя её структуру.
В ходе экспериментов с рисовой соломой также выяснилось, что вода способствует формированию более конденсированных ароматических углеродных структур. Это важный показатель, который говорит о стабильности полученного биоугля.
С ростом влажности выход биоугля увеличивался для всех образцов, достигая 78% для сырья на основе лигнина. Однако переработка более влажного сырья требует дополнительных энергозатрат на испарение воды. По расчётам авторов исследования, оптимальный баланс между выходом продукта и потреблением энергии достигается при влажности биомассы около 30%.
Результаты работы дают теоретическое обоснование тому, как влажность сырья можно использовать для управления процессом пиролиза. Вместо того чтобы рассматривать воду как проблему, её содержание можно регулировать, чтобы влиять на количество и физико-химические свойства получаемого биоугля. Это открывает новые возможности для более эффективной переработки сельскохозяйственных отходов.