Spectrophotometric analysis of lignin-based biochar

Abstract

Carbon products are one of the rising novel applications for valorisation of lignin. Slow pyrolysis is used to optimize the yield of solid residue, called biochar, and this carbonization process is conducted in a variety of conditions. Different physical and chemical phenomena occur in different treatment temperatures, and thermal processes are optimized depending on the application of the biochar. These new technologies require new quality and process control methods that are fast and reliable and can preferably be applied on-line for real-time analysis.

It has been studied previously that thermal treatment changes the colour of lignin, and this colour change can be quantified with spectrophotometric analysis. Spectrophotometry has been used in quality control of different applications for years, and it is suitable for different sample matrixes. It has also been used successfully in on-line measurements.

In this thesis an experiment to determine if colour values can be used to describe carbonized lignin properties was planned according to principles of design of experiments. Lignin was carbonized in a variety of temperatures and retention times, and the colour of these samples was analysed with spectrophotometry to measure the changes in colour in the L*a*b* colour space. The acquired data was analysed with statistical methods, and regression models for the estimation of carbon content and processing conditions were created. The results were validated by analysing the carbon content of several samples with organic elemental analyser. The basis of a method for the estimation of carbon content in carbonized lignin was developed and evaluated for reliability.

Biohiili on yksi uusista, kiinnostavista ligniinin jalostustuotteista. Hidasta pyrolyysia käytetään lämpökäsittelyprosessin kiintoaineen, eli biohiilen saannon optimoimiseksi vaihtelevissa olosuhteissa. Eri käsittelylämpötiloissa tapahtuu erilaisia fysikaalisia ja kemiallisia ilmiöitä, ja lämpökäsittelyprosessit optimoidaan saadun tuotteen käyttötarkoituksen mukaan. Nämä uudet teknologiat vaativat uusia nopeita ja luotettavia analyysimenetelmiä prosessin ja laadun hallintaan. Kysyntää on etenkin menetelmille, jotka pystytään liittämään suoraan prosessiin sen reaaliaikaista analysointia varten.

Ligniinin tiedetään muuttavan väriään lämpökäsittelyssä, ja tätä värimuutosta pystytään mittaamaan spektrofotometrillä. Värimittausta on käytetty vuosikymmenien ajan eri teollisuusalojen laadunvarmistuksessa, ja se soveltuu monenlaisille näytteille. Spektrofotometri soveltuu myös jatkuviin prosessianalyyseihin.

Tässä diplomityössä tehtiin koeajo, joka laadittiin koesuunnittelun periaatteiden mukaisesti selvittämään voidaanko hiilletyn ligniinin ominaisuuksia mitata spektrofotometrisesti. Kokeessa ligniiniä hiillettiin eri lämpötiloissa ja vaihtelevissa retentioajoissa, ja näytteiden väriarvot mitattiin spektrofotomerillä L*a*b*-väriavaruudessa. Saatu data analysoitiin tilastollisin menetelmin, ja luotiin regressiomallit hiilipitoisuuden arviointiin sekä eri käsittelyolosuhteiden määrittämiseen. Tulokset validoitiin analysoimalla useiden näytteiden hiilipitoisuus orgaanisten aineiden alkuaineanalyysilla. Kokeen tuloksiin pohjautuen luotiin perusteet menetelmälle, jonka avulla voidaan arvioida hiilletyn ligniinin hiilipitoisuutta, sekä arvioitiin menetelmän luotettavuutta.