アルカリ土類金属添加剤を用いたバイオマス熱分解によるバイオオイルとバイオ炭ベースの土壌改良材の共同生産

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Sci. Total Environ..2020 Jul;743:140760. S0048-9697(20)34284-4. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.140760.Epub 2020-07-06.

アルカリ土類金属添加剤を用いたバイオマス熱分解によるバイオオイルとバイオ炭ベースの土壌改良材の共同生産

Biomass pyrolysis with alkaline-earth-metal additive for co-production of bio-oil and biochar-based soil amendment.

Yafei Shen
Shili Yu
Rui Yuan
Pu Wang

PMID: 32653719 DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.140760.

抄録

アルカリ土類金属(AEM)は、バイオマス熱分解時のバイオオイルとバイオ炭の改質に優れた効果を示す。本研究では、CaO, CaCO, MgO, MgCOの存在下での籾殻の熱分解について、熱分解生成物の品質バランスを考慮した適切なAEM添加剤の選択のための比較検討を行った。その結果、AEM添加剤を用いたRHの熱分解により、バイオオイル中の酸含有量が減少し、炭化水素含有量が増加する可能性があることがわかった。また、Ca添加剤(CaO, CaCO)と比較して、Mg添加剤(MgO, MgCO)の方が炭化水素の生産性を向上させることができた。土壌へのバイオ炭の添加は、保水性を大幅に向上させることができる。RHC-MgCOは最大の保水能力を有していたが、RHC-MgOは比表面積が低いために最小の保水能力を有していた。さらに、Mg修飾生炭は、栄養分（K、PO）の吸着能がはるかに高かった。特に比表面積が最も小さい RHC-MgO は PO 吸着能が最も高く、主に化学吸着プロセスによって制御された PO のバイオ炭への吸着が確認された。RHC-MgO に吸着した PO は急速に放出され、PO 保持能が低いことを示している。一般的に、MgCOはバイオマスの熱分解に使用され、土壌改良のための水分・栄養分吸着・保持能力の高いバイオオイルとバイオ炭の複合体を共同生産するのに適した候補であると考えられる。

The alkaline-earth-metal (AEM) has a good performance on modification of both bio-oil and biochar during biomass pyrolysis. In this work, the pyrolysis of rice husk (RH) in the presence of CaO, CaCO, MgO and MgCO was comparatively studied for selecting an appropriate AEM additive to balance the qualities of pyrolytic products. Pyrolysis of RH with the AEM additives could decrease the acids content and increase the hydrocarbons content in bio-oil. Compared with the Ca-additives (i.e., CaO, CaCO), the Mg-additives (i.e., MgO, MgCO) were more beneficial for enhancing the hydrocarbons production. The addition of biochar to soil can significantly enhance the water retention. RHC-MgCO had a maximum water retention capacity, while RHC-MgO had a minimum water retention capacity due to its lowest specific surface area. Additionally, the Mg-modified biochar had a much higher nutrient (i.e., K, PO) adsorption capacity. In particular, RHC-MgO with a lowest specific surface area had a highest PO adsorption capacity, which was evidenced by the adsorption of PO onto biochar mainly controlled by the chemisorption process. PO adsorbed in the RHC-MgO released rapidly indicating its low PO retention capacity. In general, MgCO would be an appropriate candidate that is used in pyrolysis of biomass for co-production of bio-oil and biochar composite with high capacities of water/nutrient adsorption and retention for soil amendment.