Удосконалення методів дослідження елементного складу біопалив та сировини для їх виробництва

А. М. Панчук; В. М. Бойчук; П. М. Присяжнюк; М. В. Панчук; В. І. Шекета

doi:10.31471/1993-9868-2025-2(44)-249-260

Автор(и)

А. М. Панчук Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, вул. Карпатська, 15, м. Івано-Франківськ, 76019, Україна
В. М. Бойчук Карпатський національний університет імені Василя Стефаника 76000, Україна, м. Івано-Франківськ, вул. Шевченка 57
П. М. Присяжнюк Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, вул. Карпатська, 15, м. Івано-Франківськ, 76019, Україна
М. В. Панчук Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, вул. Карпатська, 15, м. Івано-Франківськ, 76019, Україна https://orcid.org/0000-0002-4898-2707
В. І. Шекета Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, вул. Карпатська, 15, м. Івано-Франківськ, 76019, Україна

DOI:

https://doi.org/10.31471/1993-9868-2025-2(44)-249-260

Ключові слова:

лігноцелюлозна біомаса; елементний склад; неруйнівні методи контролю.

Анотація

Лігноцелюлозна біомаса є надійним джерелом відновлюваної енергії та важливих хімічних речовин для промислового використання. Її популярність зумовлена високою поширеністю, обмеженим впливом на навколишнє середовище та відносно низькою ціною. Одним з найперспективніших методів перетворення цього типу сировини в біопалива є її термічна обробка. Термічна обробка дозволяє утворювати широкий спектр корисних газоподібних, рідких та твердих продуктів залежно від умов реакції. Основним і найважливішим чинником, що визначає ефективність переробних процесів, є елементний склад вихідної біомаси, зміна його в процесі переробки та склад готових продуктів. Проведення швидкого та надійного елементного аналізу біомаси і продуктів її переробки має важливе значення для комерціалізації виробництва. В роботі розглянуто основні методи визначення складу біомаси, зокрема класичний, інфрачервона спектроскопія з перетворенням Фур'є, рентгенівська фотоелектронна спектроскопія та рентгенофлуоресцентний аналіз. Проаналізовано особливості кожного з методів. Класичний метод, що використовується для визначення елементного складу біомаси, є високоточним та, водночас, трудомісткими, дорогими і вимагає використання небезпечних хімічних речовин, що генерують велику кількість відходів. Метод інфрачервоної спектроскопії з перетворенням Фур'є (FTIR) є досить ефективним для швидшої оцінки елементного складу біомаси проте його вважають не достатньо чутливим. Рентгенівська фотоелектронна спектроскопія (XPS) є поверхнево-чутливим методом та корисним для дослідження вмісту вуглецю, кисню та азоту в різних органічних матеріалах, але для отримання точних експериментальних даних при застосуванні цього методу для визначення елементного складу біомаси необхідні математичні залежності для калібрування засобів вимірювання класичним методом. Використання рентгенофлуоресценції (XRF) для визначення хімічного складу біомаси в основному підтверджують ефективність методу. Отримані експериментальні дані мають відхилення в діапазоні від ±10% до ±20% , що видається цілком задовільним для багатьох застосувань. Водночас для деяких елементів систематичні похибки (відхилення) можуть бути досить вираженими і складати – 50…100%. Тому, на нашу думку, даний напрямок знаходиться на початковій стадії розвитку та потребує вдосконалення. Проведені в роботі дослідження дають підстави зробити висновок, що для визначення елементного складу біомаси в процесі переробки перспективними є неруйнівні методи контролю, які можна проводити на місці. Такий підхід сприяє комерціалізації процесів виробництва біопалив, а та торгівлі, як сировиною так і готовими продуктами.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

1. He Z., Liu Y., Kim H. J., Tewolde H., Zhang H. (2022). Fourier transform infrared spectral features of plant biomass components during cotton organ development and their biological implications. Journal of Cotton Research, 5, 11. https://doi.org/10.1186/s42397-022-00117-8.

2. Tsaousis P. C., Sarafidou M., Soto Beobide A. (2025). Quantification of plant biomass composition via a single FTIR absorption spectrum supported by reference component extraction/ isolation protocols. Biomass Conv. Bioref, 15, 25273–25288. https://doi.org/10.1007/s13399-025-06858-1.

3. Xu F., Yu J., Tesso T., Dowell F., Wang D. (2013). Qualitative and Quantitative Analysis of Lignocellulosic Biomass Using Infrared Techniques: A Mini-Review. Applied Energy, 104, 801–809. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.12.019.

4. Avramova A., Radoykova Hr., Valchev I. V., Mehandjiev D. R. (2018). X-ray photoelectron spectroscopy investigations of lignocellulosic materials. Bulgarian Chemical Communications, 50(3), 411–416. https://www.researchgate.net/publication/328800658_X-ray_photoelectron_spectroscopy_investigations_of_lignocellulosic_materials.

5. Panchuk M., Kryshtopa S., Shlapak L., Kryshtopa L., Panchuk A., Yarovyi V., Sladkovskyi A. (2017). Main Trends of Biofuels Production in Ukraine. Transport Problems, 12(4), 95–103. https://dspace.nuft.edu.ua/handle/123456789/26654.

6. Панчук А. М., Панчук М. В., Дейнега Р. О. Перспективи впровадження технологій піролізу біомаси для збільшення обсягів виробництва біопалив. Нафтогазова енергетика. 2024. № 2(42). С. 137–145 / Panchuk A. M., Panchuk M. V., Deineha R. O. (2024). Perspektyvy vprovadzhennia tekhnolohii pirolizu biomasy dlia zbilshannia obsiahiv vyrobnytstva biopalyv [Prospects for introducing biomass pyrolysis technologies to increase of volumes biofuel production]. Naftohazova enerhetyka [Oil and Gas Power Engineering], 2(42), 137–145. https://doi.org/10.31471/1993-9868-2024-2(42)-137-145 [in Ukrainian].

7. Panchuk M., Kryshtopa S., Sładkowski A., Panchuk A. (2020). Environmental Aspects of the Production and Use of Biofuels in Transport. In Sładkowski A. (Eds.), Ecology in Transport: Problems and Solutions (Vol. 124). Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-42323-0_3.

8. Nzediegwu C., Naeth M. A., Chang S. X. (2021). Elemental composition of biochars is affected by methods used for its determination. J. Anal. Appl. Pyrolysis, 156, 105174. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2021.105174.

9. Channiwala S. A., Parikh P. P. (2002). A unified correlation for estimating HHV of solid, liquid and gaseous fuels. Fuel, 81(8), 1051–1063. https://doi.org/10.1016/S0016-2361(01)00131-4.

10. Feng D., Zhao Y., Zhang Y., Gao J., Sun S. (2017). Changes of biochar physiochemical structures during tar H2O and CO2 heterogeneous reforming with biochar. Fuel Process Technol, 165, 72–79. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2017.05.011.

11. Панчук А. М., Панчук М. В. Особливості визначення хімічного складу біомаси. Теоретичні і прикладні проблеми фізики, математики та інформатики: матеріали тез доповідей XІV Міжнародної науково-практичної конференції, м. Чернігів, 2–23 травня 2025 р. У 2 т. Чернігів: НУ «Чернігівська політехніка», 2025. Т. 1. С. 259. / Panchuk A. M., Panchuk M. V. (2025). Osoblyvosti vyznachennia khimichnoho skladu biomasy [Peculiarities of determining the chemical composition of biomass]. In Teoretychni i prykladni problemy fizyky, matematyky ta informatyky: materialy tez dopovidei XІV Mizhnarodnoi naukovo-praktychnoi konferentsii (Vol. 1, p. 259). NU «Chernihivska politekhnika». URL: https://conf.chnu.edu.ua/conf/2025/fizmat [in Ukrainian].

12. Wang S., Ai S., Nzediegwu C., Kwak J. H., Islam M. S., Li Y., Chang S. X. (2020). Carboxyl and hydroxyl groups enhance ammonium adsorption capacity of iron (III) chloride and hydrochloric acid modified biochars. Bioresour Technol, 309, 123390. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.123390.

13. Srinivasan P., Sarmah A. K. (2015). Characterisation of agricultural waste-derived biochars and their sorption potential for sulfamethoxazole in pasture soil: a spectroscopic investigation. Sci Total Environ, 502, 471–480. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.09.048.

14. Khan S. A., Khan S. B., Khan L. U., Farooq A., Akhtar K., Asiri A. M. (2018). Fourier Transform Infrared Spectroscopy: Fundamentals and Application in Functional Groups and Nanomaterials Characterization. In Sharma S. (Eds.), Handbook of Materials Characterization. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-92955-2_9.

15. Cu Y., Liao Y., Sun Y., Wang W., Wu J., Dai W., Huang T. (2024). Advanced XPS-Based Techniques in the Characterization of Catalytic Materials: A Mini-Review. Catalysts, 14(9), 595. https://doi.org/10.3390/catal14090595.

16. Shard A. G., Counsell J. D. P., Cant D. J. H., Smith E. F., Navabpour P., Zhang X., Blomfield C. J. (2019). Intensity calibration and sensitivity factors for XPS instruments with monochromatic Ag L$alpha$ and Al K$alpha$ sources. Surf. Interface Anal, 51, 763–773. https://doi.org/10.1002/sia.6647.

17. Cerciello F., Forgione A., Lacovig P., Lizzit S., Fabozzi A., Salatino P., Senneca O. (2025). The Influence of Mineral Matter on X-Ray Photoelectron Spectroscopy Characterization of Surface Oxides on Carbon. Appl. Sci, 15(6), 2993. https://doi.org/10.3390/app15062993.

18. Kim S., Zhou S., Hu Y., Acik M., Chabal Y. J., Berger C. de Heer W., Bongiorno A., Riedo E. (2012). Room-temperature metastability of multilayer graphene oxide films. Nat. Mater, 11, 544. https://hal.science/hal-00911814v1/document.

19. Grams J. (2022). Surface analysis of solid products of thermal treatment of lignocellulosic biomass. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 16, 105429. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2021.105429.

20. Rhein F., Sehn T., Meier M. A. R. (2025). Efficient and accurate determination of the degree of substitution of cellulose acetate using ATR-FTIR spectroscopy and machine learning. Sci Rep, 15, 2904. https://doi.org/10.1038/s41598-025-86378-0.

21. Tsaousis P. C., Sarafidou M., Soto Beobide A. (2025). Quantification of plant biomass composition via a single FTIR absorption spectrum supported by reference component extraction/isolation protocols. Biomass Conv. Bioref. https://doi.org/10.1007/s13399-025-06858-1.

22. Cui Y., Liao Y., Sun Y., Wang W., Wu J., Dai W., Huang T. (2024). Advanced XPS-Based Techniques in the Characterization of Catalytic Materials: A Mini-Review. Catalysts, 14, 595. https://doi.org/10.3390/catal14090595.

23. Krishna D. N. G., Philip J. (2022). Review on surface-characterization applications of x-ray photoelectron spectroscopy (xps): recent developments and challenges. Applied Surface Science Advances, 12, 100332. https://doi.org/10.1016/j.apsadv.2022.100332.

24. Stevie F. A., Garcia R., Shallenberger J., Newman J. G., Donley C. L. (2020). Sample handling, preparation and mounting for XPS and other surface analytical techniques. Journal of Vacuum Science and Technology A: Vacuum, Surfaces and Films, 38(6), 063202. https://doi.org/10.1116/6.0000421.

25. Bennet F., Müller A., Radnik J., Hachenberger Y., Jungnickel H., Laux P., Luch A., Tentschert J. (2020). Preparation of Nanoparticles for ToF-SIMS and XPS Analysis. J. Vis. Exp, 163, e61758. https://doi.org/10.3791/61758.

26. Yaashikaa P. R., Kumar P. S., Varjani S., Saravanan A. (2020). A critical review on the biochar production techniques, characterization, stability and applications for circular bioeconomy. Biotechnol Rep (Amst), 28, e00570. https://doi.org/10.1016/j.btre.2020.e00570.

27. Jiang G., Husseini G. A., Baxter L. L., Linford M. R. (2005). Analysis of straw by x-ray photoelectron spectroscopy. Surface Science Spectra, 11(1), 91–96. https://doi.org/10.1116/11.20040801.

28. Rose N. L., Yang H., Turner S. D., Simpson G. L. (2012). An assessment of the mechanisms for the transfer of lead and mercury from atmospherically contaminated organic soils to lake sediments with particular reference to Scotland, UK. Geochimica et Cosmochimica Acta, 82, 113–135. https://doi.org/10.1016/j.gca.2010.12.026.

29. El-Naggar A., Shaheen S. M., Ok Y. S., Rinklebe J. (2018). Biochar affects the dissolved and colloidal concentrations of Cd, Cu, Ni, and Zn and their phytoavailability and potential mobility in a mining soil under dynamic redox-conditions. The Science of the Total Environment, 624, 1059–1071. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.12.067.

30. Висоцький П. П., Монастирський Г. Є., Дужерученко О. Г. Використання ефектів дифракції для визначення методом рентгенофлуоресцентного аналізу концентрації вуглецю у сталях. Теоретичні і прикладні проблеми фізики, математики та інформатики: матеріали конференції. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023. С. 17–20. / Vysotskyi P. P., Monastyrskyi H. Ye., Duzheruchenko O. H. (2023). Vykorystannia efektiv dyfraktsii dlia vyznachennia metodom renthenofluorestsentnoho analizu kontsentratsii vuhletsiu u staliakh [Using diffraction effects to determine carbon concentration in steels by X-ray fluorescence analysis]. In Teoretychni i prykladni problemy fizyky, matematyky ta informatyky: materialy konferentsii (pp. 17–20). KPI im. Ihoria Sikorskoho. URL: https://ela.kpi.ua/handle/123456789/62314 [in Ukrainian].

31. Lachance G. R. (1994). Quantitative X-ray fluorescence analysis: Theory and application. Wiley.

32. Beckhoff B., Kanngießer B., Langhoff N., Wedell R., Wolff H. (2006). Handbook of Practical X-Ray Fluorescence Analysis. Springer. https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-540-36722-2.

33. Raveendran K., Ganesh A., Khilar K. C. (1995). Influence of Mineral Matter on Biomass Pyrolysis Characteristics. Fuel, 74(12), 1812–1822. https://doi.org/10.1016/0016-2361(95)80013-8.

34. Patwardhan P. R., Satrio J. A., Brown R. C., Shanks B. H. (2010). Influence of inorganic salts on the primary pyrolysis products of cellulose. Bioresour Technol, 101(12), 4646–4655. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.01.112.

35. Le D. M., Sørensen H. R., Knudsen N. O., Meyer A. S. (2015). Implications of silica on biorefineries – interactions with organic material and mineral elements in grasses. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 9, 109–121. https://doi.org/10.1002/bbb.1511.

36. Le D. M., Sørensen H. R., Meyer A. S. (2017). Elemental analysis of various biomass solid fractions in biorefineries by X-ray fluorescence spectrometry. Biomass and Bioenergy, 97, 70–76. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2016.12.018.

37. Wang B., Liu N., Wang S., Li X., Li R., Wu Y. (2023). Study on Co-Pyrolysis of Coal and Biomass and Process Simulation Optimization. Sustainability, 15(21), 15412. https://doi.org/10.3390/su152115412.

38. Panchuk A., Panchuk M., Sładkowski A., Kryshtopa S., Kryshtopa L. (2024). Methanol potential as an environmentally friendly fuel for ships. Naše More, 71(2), 75–82. https://doi.org/10.17818/NM/2024/2.5.

39. Andersen L. K., Morgan T. J., Boulamanti A. K., Alvarez P., Vassilev S. V., Baxter D. (2013). Quantitative X-ray fluorescence analysis of biomass: Objective evaluation of a typical commercial multi-element method on a WD-XRF spectrometer. Energy Fuels, 27(12), 7439−7454. https://doi.org/10.1021/ef4015394.

40. Margui E., Hidalgo M., Queralt I. (2005). Multielemental fast analysis of vegetation samples by wavelength dispersive X-ray fluorescence spectrometry: Possibilities and drawbacks. Spectrochim. Acta, Part B, 60(10-11), 1363−1372. https://doi.org/10.1016/j.sab.2005.08.004.

41. Margui E., Queralt I., Hidalgo M. (2009). Application of X-ray fluorescence spectrometry to determination and quantitation of metals in vegetal material. Trends Anal. Chem, 28(3), 362−372. https://doi.org/10.1016/j.trac.2008.11.011.

42. Morgan T., George A., Boulamanti A., Álvarez P., Adanouj I., Dean C., Vassilev S., Baxter D., Andersen L. (2015). Quantitative X-ray Fluorescence Analysis of Biomass (Switchgrass, Corn Stover, Eucalyptus, Beech, and Pine Wood) with a Typical Commercial Multi-Element Method on a WD-XRF Spectrometer. Energy and Fuels, 29(3), 1669–1685. https://doi.org/10.1021/ef502380x.

43. Endriss F., Kuptz D., Wissmann D., Hartmann H., Dietz E, Kappler A., Thorwarth H. (2024). Evaluation and Optimization of an X ray Fluorescence Analyzer for Rapid Analysis of Chemical Elements in Solid Biofuels. Energy and Fuels, 38(17), 16426–16440. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.4c01771.