مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

بررسی ارتباط بین هرسونایکسانی ساختاری و مقاومت الکتریکی چوب نوئل (Picea abies) کربونیزه شده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان
10.22034/ijwp.2025.2071104.1727
چکیده
بیان مسأله و اهداف: امروزه تلاش فزاینده‌ای برای یافتن و استفاده از سوخت‌های با منشأ زیست‌توده به‌عنوان منابع انرژی تجدیدپذیر با هدف جایگزینی سوخت‌های فسیلی معمول وجود دارد. ‌زغال زیستی ماده‌ای متخلخل، بسیار ناهمگن و غنی از کربن است که توسط پیرولیز زیست‌توده در شرایط محیطی فاقد اکسیژن و یا با اکسیژن محدود تولید می‌شود. پیرولیز، اصلی‌ترین روش تبدیل گرمایی-مکانیکی غیرهوازی مورد استفاده برای تبدیل زیست‌توده به سوخت مایع، گازها و زغال می‌باشد. پیرولیز زیست‌توده در شرایط متفاوتی به لحاظ دما، سرعت گرمادهی و زمان‌های ماندگاری انجام می‌شود. این شرایط باعث ایجاد تنوع گسترده در بازده و ویژگی‌های زغال زیستی تولید شده می‌شود. شرایط پیرولیز، حتی در صورت استفاده از ماده یکسان، موجب ایجاد زغال زیستی با ویژگی‌های متفاوتی می-شود که نوع مصرف و کاربرد متفاوتی دارند. از جمله کاربردهای اخیر برای این ماده به‌کارگیری آن به‌عنوان ماده الکترود در ابرخازن‌ها با هدف ذخیره انرژی می‌باشد. رسانایی الکتریکی ماده الکترود فاکتور بسیار مهمی برای کارایی این ابزار است. در این پژوهش به بررسی ارتباط بین هرسونایکسانی ساختاری چوب نوئل و دمای پیرولیز بر مقاومت الکتریکی الکترودهای کربنی مشتق شده از آن پرداخته شد.
مواد و روش‌ها: از بخش‌های بدون عیب و گره چوب نوئل، نمونه‌های شعاعی و مماسی به‌طور جداگانه تهیه شد. برای بررسی اثر دمای پیرولیز روی ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی زغال زیستی، نمونه‌های شعاعی و مماسی چوب نوئل در سه دمای متفاوت 700، 800 و 900 درجه سانتی‌گراد پیرولیز شدند. از روش پراب 4 نقطه برای اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی استفاده شد. از طیف‌سنجی رامان (Raman) برای بررسی درجه گرافیتی شدن و از آزمون پراش اشعه ایکس (XRD) برای بررسی اثر دمای پیرولیز بر درجه بلورینگی نمونه-های زغال زیستی حاصل از چوب نوئل استفاده شد. بررسی شیمی سطح و گروه‌های عاملی نمونه‌ها توسط طیف‌سنجی تبدیل فوریه مادون‌قرمز (FTIR) انجام شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که دمای پیرولیز بر بازده و تخلخل زغال زیستی تهیه‌شده، اثر معنی‌دار منفی و بر دانسیته آن اثر معنی‌دار مثبت داشت. همچنین نوع برش اثر معنی‌داری بر بازده و دانسیته زغال نداشت. با توجه به نتایج، همکشیدگی در سه جهت از الگویی مشابه چوب تبعیت نمود. در هر سه دما بیشترین و کمترین همکشیدگی به ترتیب مربوط به نمونه‌های مماسی و محوری بود. همچنین نتایج تصاویر SEM از سطح مقطع عرضی نمونه‌های تولیدشده زغال نوئل نشان داد که ویژگی‌های آناتومیکی چوب در زغال حاصله حفظ شده است. نتایج آزمون رامان نشان‌دهنده گرافیتی شدن بیشتر با افزایش دمای پیرولیز بود که این امر به کاهش مقاومت الکتریکی یا به عبارتی افزایش رسانایی الکتریکی منجر شد. در مورد هر دو نوع نمونه شعاعی و مماسی، با افزایش دما مقاومت الکتریکی به‌طور معنی‌داری (0.05> p) کاهش یافت. بیشترین مقادیر مقاومت الکتریکی (46/5 Ω) مربوط به جهت مماس با دوایر زغال حاصل از نمونه مماسی در دمای 700 درجه سانتی‌گراد و کمترین آن (05/0 Ω) مربوط به جهت عمود بر دوایر زغال حاصل از نمونه شعاعی در دمای 900 درجه سانتی‌گراد بود.
نتیجه‌گیری: به‌طورکلی، افزایش دمای پیرولیز و گرافیتی شدن بیشتر چوب موجب کاهش مقاومت الکتریکی زغال آن شد. همچنین، هرسونایکسانی چوب، در دماهای بالاتر از 700 درجه سانتی‌گراد اثر معنی‌داری بر مقاومت الکتریکی زغال حاصل از آن نداشت.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Ghani, W.A.W.A.K., et al., Biochar production from waste rubber-wood-sawdust and its potential use in C sequestration: chemical and physical characterization. Industrial Crops and Products, 2013. 44: p. 18-24.
[2] Lin, Q., et al., The speciation, leachability and bioaccessibility of Cu and Zn in animal manure-derived biochar: effect of feedstock and pyrolysis temperature. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2017. 11: p. 1-12.
[3] Fu, P., et al. Effects of pyrolysis temperature on characteristics of porosity in biomass chars. in 2009 International Conference on Energy and Environment Technology. 2009. IEEE.
[4] Bartoli, M., et al., A review of non-soil biochar applications. Materials, 2020. 13(2): p. 261.
[5] Li, S. and G. Chen, Thermogravimetric, thermochemical, and infrared spectral characterization of feedstocks and biochar derived at different pyrolysis temperatures. Waste Management, 2018. 78: p. 198-207.
[6] Suliman, W., et al., Influence of feedstock source and pyrolysis temperature on biochar bulk and surface properties. Biomass and Bioenergy, 2016. 84: p. 37-48.
[7] Li, S., et al., Predicting biochar properties and functions based on feedstock and pyrolysis temperature: A review and data syntheses. Journal of Cleaner Production, 2019. 215: p. 890-902.
[8] Azargohar, R., et al., Evaluation of properties of fast pyrolysis products obtained, from Canadian waste biomass. Journal of analytical and applied pyrolysis, 2013. 104: p. 330-340.
[9] Macquarrie, D.J., J.H. Clark, and E. Fitzpatrick, The microwave pyrolysis of biomass. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 2012. 6(5): p. 549-560.
[10] Steinbeiss, S., G. Gleixner, and M. Antonietti, Effect of biochar amendment on soil carbon balance and soil microbial activity. Soil Biology and Biochemistry, 2009. 41(6): p. 1301-1310.
[11] Jiang, J., et al., Highly ordered macroporous woody biochar with ultra-high carbon content as supercapacitor electrodes. Electrochimica Acta, 2013. 113: p. 481-489.
[12] Taslim, R., Production of activated carbon electrodes from Sago waste and its application for an electrochemical double-layer capacitor. International Journal of ELECTROCHEMICALSCIENCE, 2018.
[13] Al-Wabel, M.I., et al., Pyrolysis temperature induced changes in characteristics and chemical composition of biochar produced from conocarpus wastes. Bioresource technology, 2013. 131: p. 374-379.
[14] Liu, Z., et al., Comparative analysis of the properties of biochars produced from different pecan feedstocks and pyrolysis temperatures. Industrial Crops and Products, 2023. 197: p. 116638.
[15] Balmuk, G., et al., EFFECTS OF PYROLYSIS TEMPERATURE AND PRESSURE ON AGRONOMIC PROPERTIES OF BIOCHAR. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2023: p. 105858.
[16] Tomczyk, A., Z. Sokołowska, and P. Boguta, Biochar physicochemical properties: pyrolysis temperature and feedstock kind effects. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 2020. 19: p. 191-215.
[17] Chaves Fernandes, B.C., et al., Impact of pyrolysis temperature on the properties of eucalyptus wood-derived biochar. Materials, 2020. 13(24): p. 5841.
[18] Gabhi, R., et al., Electrical conductivity of wood biochar monoliths and its dependence on pyrolysis temperature. Biochar, 2020. 2: p. 369-378.
[19] Handiso, B., T. Pääkkönen, and B.P. Wilson, Effect of pyrolysis temperature on the physical and chemical characteristics of pine wood biochar. Waste Management Bulletin, 2024. 2(4): p. 281-287.
[20] Abdallah, L., et al., Influence of Pyrolysis Temperature on the Properties and Electrochemical Performance of Cedar Wood-Derived Biochar for Supercapacitor Electrodes. Bioengineering, 2025. 12(8): p. 841.
[21] Haider, S. and A. Haider, Renewable Polymers and Polymer-Metal Oxide Composites: Synthesis, Properties, and Applications. 2022: Elsevier.
[22] Fazeli, A., et al., Wood-derived hierarchical porous carbon as supercapacitive cathode for high-performance sediment microbial fuel cells. Materials Chemistry and Physics, 2025. 333: p. 130355.
[23] Miccoli, I., et al., The 100th anniversary of the four-point probe technique: the role of probe geometries in isotropic and anisotropic systems. Journal of Physics: Condensed Matter, 2015. 27(22): p. 223201.
[24] Li, S., et al., Nitrogen retention of biochar derived from different feedstocks at variable pyrolysis temperatures. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2018. 133: p. 136-146.
[25] Keiluweit, M., et al., Dynamic molecular structure of plant biomass-derived black carbon (biochar). Environmental science & technology, 2010. 44(4): p. 1247-1253.
[26] Xiao, X., B. Chen, and L. Zhu, Transformation, morphology, and dissolution of silicon and carbon in rice straw-derived biochars under different pyrolytic temperatures. Environmental science & technology, 2014. 48(6): p. 3411-3419.
[27] Yuan, H., et al., Influence of pyrolysis temperature on physical and chemical properties of biochar made from sewage sludge. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2015. 112: p. 284-289.
[28] Wei, S., et al., Influence of pyrolysis temperature and feedstock on carbon fractions of biochar produced from pyrolysis of rice straw, pine wood, pig manure and sewage sludge. Chemosphere, 2019. 218: p. 624-631.
[29] Lu, Y., et al., Biomass-derived heteroatoms-doped mesoporous carbon for efficient oxygen reduction in microbial fuel cells. Biosensors and Bioelectronics, 2017. 98: p. 350-356.
[30] Liu, L., et al., Conversion of straw to nitrogen doped carbon for efficient oxygen reduction catalysts in microbial fuel cells. RSC advances, 2015. 5(109): p. 89771-89776.
[31] Gabhi, R., et al., Intrinsic electrical conductivity of monolithic biochar. Biomass and Bioenergy, 2024. 181: p. 107051.
[32] Biswas, B., et al., Pyrolysis of agricultural biomass residues: Comparative study of corn cob, wheat straw, rice straw and rice husk. Bioresource technology, 2017. 237: p. 57-63.
[33] Tushar, M.S.H.K., et al., Production, characterization and reactivity studies of chars produced by the isothermal pyrolysis of flax straw. Biomass and bioenergy, 2012. 37: p. 97-105.
[34] Darusman, D., et al., Functional Group Structure of Bamboo and Pine Wood Biochar Due to Differences in Pyrolysis Temperature. Aceh International Journal of Science and Technology, 2022. 11(1): p. 21-28.
[36] Essandoh, M., et al., Sorptive removal of salicylic acid and ibuprofen from aqueous solutions using pine wood fast pyrolysis biochar. Chemical Engineering Journal, 2015. 265: p. 219-227.
[37] Usman, A.R., et al., Biochar production from date palm waste: Charring temperature induced changes in composition and surface chemistry. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2015. 115: p. 392-400.
[38] Nishimiya, K., et al., Analysis of chemical structure of wood charcoal by X-ray photoelectron spectroscopy. Journal of Wood Science, 1998. 44: p. 56-61.
[39] Quosai, P., et al., Characterization of biocarbon generated by high-and low-temperature pyrolysis of soy hulls and coffee chaff: For polymer composite applications. Royal Society open science, 2018. 5(8): p. 171970.
[40] Singh, B., M. Camps-Arbestain, and J. Lehmann, Biochar: a guide to analytical methods. 2017: Csiro Publishing.
[41] Yang, F., et al., Effective sorption of atrazine by biochar colloids and residues derived from different pyrolysis temperatures. Environmental Science and Pollution Research, 2018. 25: p. 18528-18539.
[42] Marx, S., I. Chiyanzu, and N. Piyo, Influence of reaction atmosphere and solvent on biochar yield and characteristics. Bioresource technology, 2014. 164: p. 177-183.
[43] Dasgupta, D., F. Demichelis, and A. Tagliaferro, Electrical conductivity of amorphous carbon and amorphous hydrogenated carbon. Philosophical Magazine B, 1991. 63(6): p. 1255-1266.