Kelakai (Stenochlaena palustris), ni biomasi ya paporoti yenye lignoselulosi inayokua katika maeneo oevu na yenye mboji ya Kalimantan; uondoaji wa lignini ni mbinu ya matibabu ya awali inayolenga kupunguza sehemu ya lignini katika biomasi. Katika utafiti huu, kelakai iliyokaushwa ilitibiwa kwa miyeyusho ya %3, %10 na %15 NaOH katika 80 °C, chini ya kuchanganywa kwa 200 rpm kwa 1 saa; baada ya matibabu, muundo wa lignoselulosi ulitathminiwa kwa mbinu ya Chesson–Data, tabia ya mtengano wa joto kwa uchanganuzi wa thermogravimetri (TGA), na kinetiki ya mtengano kwa modeli ya Coats–Redfern ya mpangilio wa kwanza. Kadiri kiasi cha NaOH kilivyoongezeka, uondoaji wa lignini uliimarika, lakini hali iliyotoa kiwango cha chini zaidi cha lignini haikuwa hali bora zaidi kwa uthabiti wa joto.

Katika sampuli ya KU isiyotibiwa, selulosi ilikuwa %29,64 na lignini %33,23, ilhali katika KD3 iliyotayarishwa kwa %3 NaOH selulosi iliongezeka hadi %57,49 na lignini ikashuka hadi %21,77. Katika KD10, selulosi ilikuwa %60,67 na lignini %9,41; katika KD15, selulosi ilikuwa %64,15 na lignini %5,18. Kwa hiyo, viwango vya uondoaji wa lignini kwa KD3, KD10 na KD15 vilikuwa mtawalia %34,48, %70,69 na %83,87.

Hata hivyo, tabia ya joto ilionyesha optimum tofauti. Joto la kilele cha DTG lilikuwa 316,80 °C kwa KU, likaongezeka hadi 322,11 °C katika KD3, kisha likashuka hadi 320,04 na 319,23 °C katika KD10 na KD15 mtawalia. Nishati ya uanzishaji ya Coats–Redfern pia iliongezeka kutoka 20,42 kJ/mol katika KU hadi 44,90 kJ/mol katika KD3; katika viwango vya juu vya NaOH ilishuka hadi 44,64 na 40,52 kJ/mol. Kwa hiyo, waandishi walitathmini matibabu ya awali ya %3 NaOH kuwa uwiano unaofaa zaidi kati ya uondoaji mzuri wa lignini na upinzani wa joto.

Hitimisho la utafiti linaishia katika utambuzi wa biomasi kwa kiwango cha maabara na kinetiki ya TGA. Utafiti haukupima mavuno ya bio-oil, muundo wa bidhaa, mizania ya nishati, gharama ya kiuchumi au utendaji wa kiwango cha viwanda katika reakta halisi ya pyrolysis. Kwa hiyo, hitimisho kwamba “%3 NaOH ni optimum ya hakika katika mchakato halisi wa viwandani wa pyrolysis” haliwezi kutolewa kutokana na utafiti huu.

Uondoaji wa Lignini wa Kelakai Unabadilishaje Tabia ya Pyrolysis?

Uondoaji wa lignini wa kelakai kwa NaOH ulibadilisha matriksi ya lignoselulosi yenye lignini nyingi, ukaongeza sehemu ya selulosi katika awamu ngumu, ukapunguza mabaki ya char na kubadilisha tabia ya mwanzo na kilele cha mtengano wa joto; hata hivyo, uondoaji mkubwa zaidi wa lignini ulionekana katika %15 NaOH, ilhali viashiria vya juu zaidi vya upinzani wa joto vilipatikana katika %3 NaOH.

Kwa nini kelakai ilichunguzwa katika utafiti huu?

Kelakai, kwa jina la kisayansi Stenochlaena palustris, ni aina ya paporoti inayokua kwa wingi katika maeneo ya mboji ya Kalimantan. Chanzo kinaichukulia kelakai kama mojawapo ya malighafi za eneo ambazo hazijatumika vya kutosha na zinaweza kutumiwa kama chanzo cha biomasi.

Tatizo la kuanzia la utafiti ni kiwango kikubwa cha lignini katika biomasi ya kelakai. Lignini ni biopolima yenye muundo wa aromatiki, yenye ustahimilivu wa joto kwa kiasi, inayoupa ukuta wa seli ya mmea uimara wa kimakanika. Kiwango kikubwa cha lignini hubadilisha tabia ya ubadilishaji wa thermokemia wa biomasi na, kwa mujibu wa tathmini ya watafiti, hufanya matriksi ya kelakai iwe sugu zaidi.

Biomasi ya lignoselulosi ni nini?

Biomasi ya lignoselulosi ni muundo wa mimea unaojumuisha hasa selulosi, hemiselulosi na lignini. Vipengele hivi vitatu havina tabia sawa ya joto. Hemiselulosi kwa kawaida huanza kutengana katika halijoto za chini zaidi, selulosi huunda eneo kuu la mtengano lililo wazi zaidi; lignini inaweza kutengana polepole katika wigo mpana wa halijoto na kuchangia kwa kiasi kikubwa katika uundaji wa char.

Kwa hiyo, matibabu ya awali ya alkali hayamaanishi tu “kupunguza asilimia ya lignini”. Kwa sababu uwiano wa vipengele katika mabaki magumu hubadilika, mwanzo wa mkunjo wa TGA, kasi ya mtengano, joto la kilele na kiasi cha mwisho cha char pia vinaweza kubadilika.

Uondoaji wa lignini kwa NaOH hufanya nini?

Chanzo kinaeleza matibabu ya awali ya NaOH kama mbinu ya kemikali ya uondoaji wa lignini inayorahisisha kuvunjika kwa vifungo vya ether na ester katika lignini na kuyeyuka kwa lignini. Hivyo, matriksi ya lignoselulosi hufunguka na sehemu ya selulosi katika mabaki magumu inaweza kuongezeka.

Kauli ya “sehemu ya selulosi iliongezeka” hapa inapaswa kutafsiriwa kwa uangalifu. Utafiti hauonyeshi kuwa NaOH ilitengeneza selulosi mpya. Thamani zilizotolewa ni asilimia za muundo katika kigumu kikavu kilichobaki baada ya matibabu. Kuondolewa kwa lignini na sehemu nyingine zinazoyeyuka kunaweza kuongeza asilimia ya selulosi kwa kulinganisha na kigumu chote.

Nambari za sampuli zinamaanisha nini?

• KU: kelakai ghafi ambayo haijaondolewa lignini kwa NaOH.
• KD3: kelakai iliyotibiwa kwa myeyusho wa %3 NaOH.
• KD10: kelakai iliyotibiwa kwa myeyusho wa %10 NaOH.
• KD15: kelakai iliyotibiwa kwa myeyusho wa %15 NaOH.

Masharti ya matibabu ya awali

Poda kavu ya kelakai ilichanganywa na myeyusho wa %3, %10 au %15 NaOH kwa uwiano wa 1:10 (w/v) kigumu/kioevu. Chanzo hakifafanui kando ikiwa asilimia ya NaOH inategemea uzito/kiasi au msingi mwingine wa asilimia; kwa hiyo, maelezo ya msingi wa asilimia hayajakisiwa na Verianla.

• Halijoto: 80 °C
• Kasi ya kuchanganya: 200 rpm
• Muda wa matibabu: 1 saa
• Uwiano wa kigumu/myeyusho: 1:10 (w/v)
• Kuosha: kwa maji yaliyodistiliwa hadi pH ya upande wowote
• Ukaushaji wa mwisho: 60 °C kwa 24 saa

Mbinu ya Chesson–Data ilitumika vipi?

Katika utafiti, sehemu za hemiselulosi, selulosi na lignini zilihesabiwa kutokana na wingi wa kigumu kikavu uliobaki baada ya matibabu ya mfululizo kwa maji ya moto na asidi sulfuriki.

Mwanzoni, 1 g ya kelakai kavu ilirefluksiwa na 150 mL ya maji yaliyodistiliwa katika 100 °C kwa 2 saa. Baada ya kuchuja, kigumu kilioshwa hadi kiasi cha filtrati kilipofikia 300 mL na pH 7, kisha kikaushwa katika 80 °C hadi wingi wa kudumu ili kupata mabaki a.

Mabaki a yalirefluksiwa tena na 150 mL 0,5 M H₂SO₄ katika 100 °C kwa 2 saa; kigumu kilichujwa tena, kikaoshwa hadi pH 7 na kukaushwa hadi wingi wa kudumu ili kupata mabaki b. Wingi uliopotea katika hatua hii ulitathminiwa kama sehemu ya hemiselulosi.

Mabaki b kisha yaliwekwa katika 10 mL %72 (v/v) H₂SO₄ katika halijoto ya chumba kwa 4 saa, yakapunguzwa mkusanyiko kwa 150 mL 0,5 M H₂SO₄ na kurefluksiwa katika 100 °C kwa 2 saa. Chanzo kwanza kinakiita kigumu kilichobaki baada ya matibabu haya “residue c”, kisha mara moja kinaandika kwamba kigumu kilichobaki ni lignini “d”. Mlinganyo (3) hutumia moja kwa moja thamani c. Kwa hiyo, majina c/d hayalingani kikamilifu ndani ya chanzo.

Mlinganyo wa Chanzo (1): asilimia ya hemiselulosi

\[ \mathrm{Hemiselüloz}(\%)= \frac{a-b}{m_{\mathrm{başlangıç}}}\times100 \]

a, wingi wa kigumu kikavu uliobaki baada ya matibabu ya maji ya moto; b, wingi wa kigumu kikavu uliobaki baada ya refluksi ya 0,5 M H₂SO₄; \(m_{\mathrm{başlangıç}}\) ni wingi wa awali wa biomasi kavu. Tofauti \(a-b\) huingia katika hesabu ya hemiselulosi kama sehemu iliyoondolewa wakati wa matibabu ya pili.

Mlinganyo wa Chanzo (2): asilimia ya selulosi

\[ \mathrm{Selüloz}(\%)= \frac{b-c}{m_{\mathrm{başlangıç}}}\times100 \]

Hesabu hii inaunganisha upotevu wa wingi kati ya mabaki kabla ya matibabu ya asidi kali na mabaki baada ya matibabu na sehemu ya selulosi.

Mlinganyo wa Chanzo (3): asilimia ya lignini

\[ \mathrm{Lignin}(\%)= \frac{c}{m_{\mathrm{başlangıç}}}\times100 \]

Chanzo kinatumia c kwa lignini katika Mlinganyo (3). Kwa sababu kuna kutolingana kwa majina kati ya kauli “lignin (d)” katika maandishi ya mbinu na mlinganyo huu, Verianla haitengenezi fomula mpya ya d hapa.

Muundo wa lignoselulosi baada ya NaOH

Jumla ya asilimia hizi tatu haitarajiwi kuwa 100; mbinu inaripoti tu sehemu mahususi za lignoselulosi na chanzo hakitoi mizania ya kina ya wingi ya vipengele vingine vya jumla vya kigumu.

Uondoaji wa lignini

Kwa upande wa uondoaji wa lignini wa kemikali, uondoaji wa juu zaidi uko katika KD15. Hata hivyo, utafiti hauchukulii “uondoaji mkubwa zaidi wa lignini” na “matibabu ya awali ya pyrolysis yaliyo bora zaidi” kuwa kipimo kimoja.

Mbinu ya Coats–Redfern Inahesabu Nini katika Utafiti Huu?

Mbinu ya Coats–Redfern ni mbinu jumuishi ya kinetiki inayobadilisha data ya TGA kwa kasi thabiti ya kupasha joto kuwa umbo la mstari kwa kutumia kinetiki ya Arrhenius, ili kukadiria nishati dhahiri ya uanzishaji \(E\) na kigezo cha kabla ya eksponensheli \(A\) cha mtengano wa kelakai; watafiti walitumia uchanganuzi chini ya dhana ya mmenyuko wa mpangilio wa kwanza na katika wigo wa halijoto ya devolatilization wa kila sampuli.

TGA ni nini?

Uchanganuzi wa thermogravimetri (TGA), hupima mabadiliko ya wingi wa sampuli kadiri halijoto au muda unavyobadilika. Katika utafiti huu, 1 mg ilichukuliwa kutoka kila sampuli, ikawekwa kwenye sufuria ya alumina na kupashwa kutoka halijoto ya chumba hadi 800 °C kwa:

• kasi ya kupasha joto: 10 °C/dak,
• mtiririko wa nitrojeni: 50 mL/dak

chini ya masharti haya.

Angahewa ya nitrojeni ilitumika kuunda hali ya pyrolysis isiyo ya uoksidishaji. Chanzo baadaye katika mjadala kinaita hatua ya tatu katika sehemu moja “char formation or lignin combustion stage”; hata hivyo, kwa kuwa jaribio liliendeshwa chini ya 50 mL/dak N₂, Verianla inaieleza hatua hii hasa kama uundaji wa char na mtengano wa polepole katika halijoto ya juu na haitafsiri neno “combustion” katika chanzo kama hali yenyewe ya jaribio.

DTG ni nini?

DTG (derivative thermogravimetry), huonyesha derivative ya mabadiliko ya wingi wa TG kwa halijoto au muda. Mkunjo wa TG hufanya iwe wazi “ni kiasi gani cha wingi kimebaki/kimepotea”, huku DTG ikifanya iwe wazi zaidi “upotevu wa wingi ni wa haraka zaidi katika halijoto gani”.

Kwa hiyo, joto la kilele cha DTG ni halijoto ambayo kasi ya juu zaidi ya upotevu wa wingi inaonekana katika eneo la mtengano. Thamani halisi za Peak temp. katika Jedwali 5 la chanzo kwa KU, KD3, KD10 na KD15 ni mtawalia 316,80; 322,11; 320,04 na 319,23 °C.

Mlinganyo wa Chanzo (4): upotevu wa wingi

\[ \mathrm{Kütle\ kaybı}(\%)= \frac{m_0-m_t}{m_0}\times100 \]

\(m_0\) ni wingi wa awali, \(m_t\) ni wingi katika muda au halijoto fulani. Kiasi cha juu kinaonyesha wingi uliopotea kuanzia mwanzo hadi wakati huo; kugawa kwa wingi wa awali huonyesha uwiano wa upotevu dhidi ya sampuli ya awali.

Mlinganyo wa Chanzo (5): mlinganyo wa jumla wa kinetiki

\[ \frac{d\alpha}{dt}=k(T)f(\alpha) \]

\(\alpha\) ni kiwango cha ubadilishaji, \(t\) ni muda, \(k(T)\) ni konstanti ya kasi inayotegemea halijoto, na \(f(\alpha)\) ni kazi ya kihisabati ya mekanizimu ya mmenyuko/modeli ya ubadilishaji iliyochaguliwa.

Mantiki ya mlinganyo ni hii: kasi ya mtengano haitegemei tu konstanti ya kasi inayotegemea halijoto, bali pia kazi \(f(\alpha)\) inayowakilisha kiwango ambacho sampuli imebadilika wakati huo.

Mlinganyo wa Chanzo (6): kiwango cha ubadilishaji

\[ \alpha= \frac{m_0-m_t}{m_0-m_\infty} \]

\(m_\infty\) ni wingi wa mabaki ya kudumu mwishoni mwa mtengano. Hivyo, mwanzoni wakati \(m_t\approx m_0\), \(\alpha\) hukaribia sifuri; karibu na mwisho wa mtengano wakati \(m_t\approx m_\infty\), \(\alpha\) hukaribia 1.

Mlinganyo wa Chanzo (7): konstanti ya kasi ya Arrhenius

\[ k(T)=A\exp\left(-\frac{E}{RT}\right) \]

A kigezo cha kabla ya eksponensheli, E nishati ya uanzishaji, R konstanti ya gesi ya ulimwengu, na T halijoto kamili.

Katika sehemu ya eksponensheli, kadiri halijoto inavyoongezeka, ukubwa kamili wa \(-E/(RT)\) hupungua; kwa hiyo, ikiwa vigezo vingine vitabaki sawa, konstanti ya kasi ya Arrhenius huwa na mwelekeo wa kuongezeka. Kadiri nishati ya uanzishaji inavyoongezeka, inakuwa vigumu zaidi kuvuka kizuizi cha nishati katika halijoto ileile.

Mlinganyo wa Chanzo (8)

\[ \frac{d\alpha}{dt} = A\exp\left(-\frac{E}{RT}\right)f(\alpha) \]

Mlinganyo huu ni umbo ambalo uhusiano wa Arrhenius umeingizwa katika mlinganyo wa jumla wa kinetiki.

Mlinganyo wa Chanzo (9): ubadilishaji kwenda kasi thabiti ya kupasha joto

Chanzo kinafafanua kasi thabiti ya kupasha joto kama:

\[ \beta=\frac{dT}{dt} \]

na kwa hiyo kinatumia umbo:

\[ \frac{d\alpha}{dT} = \frac{A}{\beta} \exp\left(-\frac{E}{RT}\right) f(\alpha) \]

.

\(\beta\) inapoongezeka, kinetiki ileile ya ubadilishaji inaweza kuonekana kwa namna tofauti kwenye mhimili wa halijoto. Katika utafiti huu, kasi ya majaribio ya kupasha joto ni 10 °C/dak; kwa tofauti za halijoto ni sawa kwa ukubwa na 10 K/dak.

Mlinganyo wa Chanzo (10): kazi jumuishi ya ubadilishaji

Chanzo kimechapisha Mlinganyo (10) kwa umbo lifuatalo:

\[ g(\alpha) = \int_0^\alpha \frac{d\alpha}{f(\alpha)} = \frac{A}{\beta} \int_{T_0}^{T} \exp\left(-\frac{E_a}{RT}\right)\,dt \]

Onyo la uandishi wa chanzo: Ingawa mipaka ya chini na ya juu ya integral upande wa kulia ni \(T_0\) na \(T\), chanzo kimechapisha differential kama dt. Kwa kuwa mlinganyo uliotangulia umeundwa kwa umbo \(d\alpha/dT\), kuna kutolingana kwa uandishi ndani ya chanzo kati ya integral ya halijoto na alama ya differential. Verianla haibadilishi hili kimya kimya.

Mlinganyo wa Chanzo (11): makadirio ya mstari ya Coats–Redfern

\[ \ln\left[ \frac{g(\alpha)}{T^2} \right] = \ln\left[ \frac{AR}{\beta E_a} \left( 1-\frac{2RT}{E_a} \right) \right] - \frac{E_a}{RT} \]

Lengo la ubadilishaji huu ni kufanya data ya TGA iweze kutathminiwa kwa regresha ya mstari.

Mlinganyo wa Chanzo (12): urahisishaji uliotumika

Chanzo:

\[ \frac{2RT}{E_a}<1 \]

chini ya dhana hii kinatumia umbo rahisi lifuatalo:

\[ \ln\left[ \frac{g(\alpha)}{T^2} \right] = \ln\left( \frac{AR}{\beta E_a} \right) - \frac{E_a}{RT} \]

Kisha chanzo kinaeleza kuwa kimechora \(y=\ln[g(\alpha)/T^2]\) dhidi ya \(x=1/T\). Katika muundo wa moja kwa moja wa aljebra wa Mlinganyo (12):

\[ y= \ln\left( \frac{AR}{\beta E_a} \right) - \frac{E_a}{R} \left(\frac{1}{T}\right) \]

kwa hiyo, mgawo wa \(1/T\) ni \(-E_a/R\). Hata hivyo, sentensi inayofuata katika makala inaeleza mteremko kama “\(E_a/RT\)”. Maonyesho haya mawili hayalingani kikamilifu; Verianla haijengi upya hesabu na kubadilisha thamani za E zilizoripotiwa na waandishi.

Dhana ya mmenyuko wa mpangilio wa kwanza inamaanisha nini?

Utafiti ulifanya uchanganuzi wa Coats–Redfern chini ya dhana ya kinetiki ya mmenyuko wa mpangilio wa kwanza. Hii haimaanishi kwamba pyrolysis changamano ya biomasi kwa kweli ina mmenyuko mmoja tu wa msingi wa kemikali. Hapa, modeli ya mpangilio wa kwanza ni mbinu ya modeli inayotumika kuwakilisha data ya ubadilishaji wa wingi wa TGA kwa vigezo dhahiri vya kinetiki.

Chanzo kinahalalisha kwa kutegemea fasihi ya awali kwamba modeli hii inaweza kuhusishwa na data za TGA za biomasi tofauti na kwamba ina ulinganifu wa kihisabati na mekanizimu ya uanzishaji wa viini katika hatua za mwanzo na mwisho za pyrolysis.

Hesabu ya kinetiki ilifanywa katika wigo gani wa halijoto?

Thamani hizi katika Jedwali 5 ni halijoto za kuanza na kumalizika za Stage 2. Sentensi moja katika sehemu ya mjadala ya chanzo inaziita thamani hizohizo za mwisho “peak decomposition temperature”; lakini safu tofauti ya Peak temp. katika Jedwali 5 inatoa thamani tofauti.

Matokeo ya Coats–Redfern

Nishati ya uanzishaji E, ndani ya modeli ya kinetiki iliyotumika, inawakilisha kizuizi dhahiri cha nishati ambacho lazima kivukwe ili mtengano wa joto uendelee. A au kigezo cha kabla ya eksponensheli ni kigezo cha kiwango cha kasi katika mlinganyo wa Arrhenius. Katika modeli ya mpangilio wa kwanza, chanzo kinaripoti kitengo cha A kama s⁻¹.

R² ni mgawo wa regresha unaoonyesha uwezo wa maelezo wa ulinganifu wa mstari wa Coats–Redfern. Chanzo kinatathmini thamani za 0,93–0,98 kuwa ulinganifu mzuri wa mstari. R² ya juu inaonyesha kuwa modeli inalingana vizuri na wigo wa data uliochaguliwa; haipaswi kusahaulika kuwa hii peke yake haithibitishi kwa uhakika kwamba mekanizimu ya mpangilio wa kwanza ndiyo mtandao halisi wa molekuli za mmenyuko katika biomasi.

Kwa Nini %3 NaOH Ilichaguliwa Kama Matibabu ya Awali Yanayofaa Zaidi katika Utafiti?

%3 NaOH haikuchaguliwa kwa sababu iliondoa lignini nyingi zaidi; ilichaguliwa na waandishi kuwa uwiano unaofaa zaidi kwa sababu chini ya masharti ya utafiti ilitoa kwa pamoja uondoaji wa lignini wa %34,48, upotevu mkubwa zaidi wa wingi katika devolatilization (%65,52), joto la juu zaidi la kilele cha DTG (322,11 °C), nishati ya juu zaidi ya uanzishaji (44,90 kJ/mol), na mzigo mdogo wa kemikali.

Kiwango cha lignini katika KD15 kilishuka hadi %5,18 pekee na sehemu ya selulosi ikaongezeka hadi %64,15. Hata hivyo, viashiria vya upinzani wa joto havikuwa juu kama katika KD3. Katika KD10 na KD15, joto la kilele cha DTG na nishati ya uanzishaji zote zilipungua ikilinganishwa na KD3.

Waandishi wanaeleza tabia hii kwa uwezekano kwamba mzigo mkubwa wa alkali unaweza kusababisha athari za kimuundo katika nyuzi za selulosi kama kuvimba, fibrillation, depolymerization, kudhoofika kwa vifungo vya hidrojeni kati ya molekuli na uwezekano wa ubadilishaji wa selulosi I → selulosi II.

Kikomo cha tafsiri: Utafiti haukufanya XRD, fahirisi ya ukristali au uchanganuzi wa moja kwa moja wa awamu za selulosi I/II. Kwa hiyo, ukristali wa selulosi na ubadilishaji wa selulosi I → II si matokeo yaliyopimwa moja kwa moja katika sampuli hizi; ni tafsiri ya kimekanika iliyotumiwa na waandishi kueleza matokeo ya TGA/kinetiki kwa kurejea fasihi ya awali.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Maandalizi ya malighafi

Kelakai ilichukuliwa kutoka maeneo oevu ya Landasan Ulin, Banjarbaru, South Kalimantan. Sehemu zote za mmea zilitumika katika utafiti.

1. Kelakai ilikaushwa kwa 48 saa ili kupunguza unyevunyevu.
2. Biomasi iliyokaushwa ilichujwa ili ipite kwenye kichujio cha 18-mesh.
3. Kwa kuwa chanzo hakiripoti ukubwa wa tundu halisi wa kichujio cha 18-mesh, Verianla haiongezi thamani ya tundu kwa milimita.
4. Ili kuongeza zaidi uondoaji wa unyevunyevu, malighafi ilikaushwa katika 60 °C kwa 60 dakika.
5. Sampuli isiyotibiwa iliitwa KU.

Matibabu ya awali ya NaOH

Poda kavu ya KU ilitibiwa kwa miyeyusho ya %3, %10 na %15 NaOH kwa uwiano wa 1:10 (w/v). Matibabu yalifanyika katika 80 °C, 200 rpm na kwa 1 saa. Kisha sampuli zikaoshwa kwa maji yaliyodistiliwa hadi pH ikawa ya upande wowote na kukaushwa katika 60 °C kwa 24 saa.

Hatua tatu za mtengano wa TGA

Katika maelezo ya jumla, chanzo kinagawa mtengano katika maeneo matatu:

1. Dehydration: kuondolewa kwa maji huru na yaliyofungamana pamoja na baadhi ya vipengele vyepesi.
2. Devolatilization: eneo kuu la pyrolysis hai; sehemu muhimu ya mtengano wa hemiselulosi na selulosi hutokea hapa.
3. Uundaji wa char / mtengano wa halijoto ya juu: mtengano wa polepole wa sehemu zilizo sugu zaidi na kubainishwa kwa kiasi cha mabaki ya kaboni.

Ingawa maandishi ya jumla ya chanzo yanafafanua maeneo haya kuwa takriban 25–170 °C, 250–380 °C na 500–800 °C, Jedwali 5 linatoa mipaka tofauti ya hatua kwa kila sampuli. Kwa hiyo, Verianla haitumii masafa ya jumla kama mipaka kamili ya sampuli.

Kwa nini halijoto ya awali ya mtengano iliongezeka?

Mpaka wa kwanza wa hatua kuu ya KU ulikuwa 179,26 °C, ilhali kwa KD3, KD10 na KD15 ulikuwa mtawalia 248,85, 247,56 na 245,40 °C. Chanzo kinaunganisha ucheleweshaji huu na kuondolewa kwa sehemu za hemiselulosi amorfu, lignini na extractives zenye uthabiti mdogo wa joto, pamoja na kuongezeka kwa sehemu ya selulosi katika kigumu.

Wakati konsentrashi ya NaOH iliongezeka kutoka %3 hadi %10 na %15, thamani hii ya mwanzo ilipungua kidogo kutoka 248,85 °C hadi 247,56 na 245,40 °C. Waandishi wanafasiri hili kuwa matibabu ya alkali kupita kiasi yanaweza kuharibu muundo wa selulosi.

Kwa nini devolatilization ni muhimu?

Devolatilization ilitathminiwa katika utafiti kama eneo kuu la pyrolysis hai. Upotevu wa wingi katika hatua hii ulikuwa %53,17 katika KU, na mtawalia %65,52, %64,57 na %64,23 katika KD3, KD10 na KD15.

Thamani ya %65,52 ya KD3 ndiyo upotevu mkubwa zaidi wa wingi wa Stage 2 kati ya sampuli tatu zilizoondolewa lignini. Hii ni mojawapo ya sababu za waandishi kuchagua %3 NaOH.

Joto la kilele cha DTG lilionyesha nini?

Joto la kilele cha DTG lilitolewa kuwa 316,80 °C katika KU ghafi, 322,11 °C katika KD3, 320,04 °C katika KD10 na 319,23 °C katika KD15. Hivyo, thamani ya juu zaidi ilipatikana katika KD3.

Katika aya nyingine ya chanzo, thamani 397,56; 381,63; 379,46 na 378,84 °C zinaitwa T_max. Hata hivyo, hizi ni halijoto za mwisho za Stage 2 katika safu ya “Final temp.” ya Jedwali 5. Verianla inatumia safu halisi ya “Peak temp.” kama joto la kilele cha DTG na huweka tofauti ya majina ndani ya chanzo ionekane kando.

Kiasi cha char/mabaki kilibadilikaje?

Kulingana na Jedwali 5, mabaki ya mwisho yalikuwa %24,23 katika KU, yakashuka hadi %8,71 katika KD3, %7,37 katika KD10 na %6,45 katika KD15. Mwelekeo huu unaenda sambamba na kupungua kwa kiasi cha lignini.

Maandishi ya mjadala wa chanzo yanatoa badala yake thamani %7,34 na %6,35 kwa KD10 na KD15. Kwa hiyo, kuna kutolingana kidogo ndani ya chanzo kati ya seti hizi mbili za thamani. Verianla imeonyesha thamani za jedwali kama data kuu na kuhifadhi mbadala za maandishi katika dokezo la chanzo.

Mabaki machache ya char yanamaanisha nini?

Waandishi wanafasiri kwamba kwa sababu lignini ni sehemu inayostahimili joto na inayochangia sana uundaji wa char, kadiri lignini inavyoondolewa ndivyo bidhaa tete zaidi zinavyoundwa na mabaki ya mwisho ya kigumu hupungua.

Hata hivyo, mabaki machache ya kigumu katika TGA peke yake hayamaanishi mavuno makubwa ya bio-oil. TGA katika utafiti huu haikupima mavuno ya gesi, mvuke unaoweza kugandishwa/bio-oil na bidhaa za char kando. Kwa mgawanyo halisi wa bidhaa, inahitajika reakta tofauti ya pyrolysis na majaribio ya kukusanya/kuchanganua bidhaa.

Kuongezeka kisha kupungua kwa nishati ya uanzishaji kulifasiriwaje?

Nishati ya uanzishaji iliongezeka kutoka 20,42 kJ/mol katika KU hadi 44,90 kJ/mol katika KD3. Waandishi wanaunganisha ongezeko hili na kuondolewa kwa sehemu fulani za vipengele visivyo thabiti sana kwa joto na ukweli kwamba matriksi iliyobaki yenye selulosi nyingi inahitaji nishati kubwa zaidi kuanzisha mtengano.

Katika KD10 E=44,64 kJ/mol na katika KD15 E=40,52 kJ/mol. Chanzo kinafasiri kupungua huku kuwa uondoaji wa lignini kupita kiasi unaweza kusababisha kuvimba kwa nyuzi, depolymerization na kudhoofika kwa muundo.

Baadhi ya maelezo haya ya kimekanika hayakujaribiwa kwa kipimo cha moja kwa moja cha muundo. Utafiti hauripoti uchanganuzi tofauti wa XRD/SEM/NMR kwa ukristali, uzito wa molekuli, mofolojia ya nyuzi au polimofu ya selulosi.

Je, neno “Significant” linamaanisha umuhimu wa kitakwimu?

Chanzo kinaeleza baadhi ya mabadiliko kama “significant/significantly”; hata hivyo, makala iliyochunguzwa hairipoti idadi ya marudio ya sampuli, mistari ya hitilafu, mikengeuko sanifu, thamani za p, ANOVA au jaribio jingine la nadharia tete. Kwa hiyo, Verianla inalichukulia neno hili katika muktadha wa “mabadiliko yanayoonekana/makubwa ya kiasi”, si kama ushahidi wa umuhimu wa kitakwimu.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Matibabu ya NaOH yalibadilisha kwa wazi muundo wa lignoselulosi wa kigumu cha kelakai.
• Kadiri konsentrashi ya NaOH ilivyoongezeka, asilimia ya lignini iliyopimwa ilipungua kwa mwelekeo mmoja na uondoaji wa lignini uliohesabiwa ukaongezeka kwa mwelekeo mmoja.
• %15 NaOH ilitoa uondoaji mkubwa zaidi wa lignini (%83,87) na asilimia kubwa zaidi ya selulosi kwa kulinganisha (%64,15).
• %3 NaOH ilitoa joto la juu zaidi la kilele cha DTG (322,11 °C), nishati ya juu zaidi ya uanzishaji (44,90 kJ/mol), na upotevu mkubwa zaidi wa wingi wa Stage 2 kati ya sampuli zilizoondolewa lignini (%65,52).
• Matibabu ya awali ya NaOH yalipunguza kwa kiasi kikubwa uwiano wa mwisho wa char/mabaki ikilinganishwa na KU.
• Ulinganifu wa mstari wa Coats–Redfern uliripotiwa katika wigo wa R²=0,93–0,98.

Matokeo ambayo utafiti hauungi mkono

• Haijaonyeshwa kwamba %3 NaOH ni optimum ya jumla kwa aina zote za biomasi.
• Ongezeko la mavuno ya bio-oil katika reakta halisi ya pyrolysis halikupimwa moja kwa moja.
• Muundo wa kemikali wa bio-oil haukupimwa katika utafiti huu.
• Hakufanyika uboreshaji wa mchakato kwa matumizi ya NaOH, mahitaji ya maji ya kuosha, mzigo wa maji machafu au gharama ya kiuchumi.
• Ubadilishaji wa selulosi I → selulosi II haukutambuliwa moja kwa moja.
• Uharibifu wa nyuzi haukupimwa moja kwa moja kwa mikroskopia au uchanganuzi wa ukristali.
• Uhusiano wa “char kidogo = bio-oil zaidi” haukuthibitishwa kwa msingi wa bidhaa katika jaribio hili.
• Matokeo ya TGA ya maabara peke yake hayathibitishi utendaji wa reakta ya viwandani.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Utafiti asilia: Delignification of Kelakai (Stenochlaena palustris) Using Sodium Hydroxide Solution: Implications on Thermal Decomposition and Kinetic Parameters

Waandishi: Khairunnisa Aprilianti; Hesti Wijayanti; Abubakar Tuhuloula; Iryanti Fatyasari Nata.

Mwandishi wa mawasiliano: Hesti Wijayanti.

Barua pepe: hesti.wijayanti@ulm.ac.id

Taasisi: Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, Lambung Mangkurat University, South Kalimantan 70714, Indonesia.

Jarida: Jurnal Teknik Kimia dan Lingkungan.

Juzuu / toleo: 10 / 2.

Kurasa: 227–239.

DOI: 10.33795/jtkl.v10i2.9341.

Tarehe ya kuwasilisha: 14 Desemba 2025.

Tarehe ya marekebisho: 13 Mei 2026.

Tarehe ya kukubaliwa: 25 Mei 2026.

Tarehe rasmi ya kuchapishwa mtandaoni: 21 Oktoba 2026.

Mchapishaji: Politeknik Negeri Malang.

Aina ya chanzo: Utafiti wa majaribio wa matibabu ya awali ya biomasi kwa kiwango cha maabara, uchanganuzi wa thermogravimetri na uundaji wa modeli za kinetiki.

Mapitio ya rika: Jurnal Teknik Kimia dan Lingkungan inaelezwa rasmi kuwa jarida la kisayansi linalopitiwa na wenzao.

Leseni: Kwenye ukurasa rasmi wa makala imeonyeshwa Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International — CC BY-NC 4.0.

Ufadhili: Iliungwa mkono na Directorate General of Higher Education, Ministry of Higher Education, Science, and Technology, Republic of Indonesia kupitia 2025 “Penelitian Tesis Magister” Research Grant, No. 1466/UN8.2/PG/2025.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wametangaza kuwa hakuna maslahi ya kifedha yanayoshindana.

Tamko kuhusu akili bandia zalishi: Waandishi wametangaza kuwa hawakutumia akili bandia zalishi au teknolojia inayosaidiwa na akili bandia katika maandalizi ya makala.

Upatikanaji wa data: Hakuna sehemu tofauti ya Data Availability katika PDF iliyochunguzwa.

Mchango sawa: Hakuna tamko la mchango sawa au uandishi wa kwanza wa pamoja linaloonekana katika chanzo.

Michango ya waandishi: K.A.: kuandika rasimu ya kwanza, mbinu, utafiti. H.W.: uundaji wa dhana, rasimu ya kwanza, mapitio na uhariri, mbinu, rasilimali. A.T.: mapitio na uhariri, uundaji wa dhana, uchanganuzi rasmi. I.F.N.: mapitio na uhariri, uundaji wa dhana, usimamizi wa mradi.

Matibabu makuu ya awali: %3, %10 na %15 NaOH; 1:10 (w/v) biomasi/myeyusho; 80 °C; 200 rpm; 1 saa; kisha kuosha hadi pH ya upande wowote na kukaushwa katika 60 °C kwa 24 saa.

Kifaa cha TGA: SEIKO TG/DTA 7300.

Masharti ya TGA: 1 mg sampuli; kutoka halijoto ya chumba hadi takriban 800 °C; 10 °C/dak; mtiririko wa N₂ 50 mL/dak.

Uchanganuzi wa lignoselulosi: Mbinu ya Chesson–Data.

Uchanganuzi wa kinetiki: Mbinu ya Coats–Redfern ya mpangilio wa kwanza.

Matokeo makuu ya kinetiki: E = 20,42; 44,90; 44,64; 40,52 kJ/mol na A = 0,048; 14; 12,37; 4,68 s⁻¹ mtawalia kwa KU, KD3, KD10 na KD15.

Dokezo la uthabiti wa ndani wa chanzo 1: Katika maelezo ya Chesson–Data, baada ya mabaki ya mwisho kuitwa “c”, lignini pia huitwa “d”; Mlinganyo (3) hutumia c katika hesabu ya lignini.

Dokezo la uthabiti wa ndani wa chanzo 2: Katika Mlinganyo (10), ingawa mipaka ya halijoto ni T₀–T, differential ya integral imechapishwa kama “dt”.

Dokezo la uthabiti wa ndani wa chanzo 3: Mlinganyo (12) na grafu ya 1/T vinapotathminiwa pamoja, sehemu ya mteremko wa mstari ni −E_a/R, ilhali maandishi yanayofuata yanaeleza mteremko kama E_a/RT.

Dokezo la uthabiti wa ndani wa chanzo 4: Thamani za Peak temp. za Jedwali 5 ni 316,80; 322,11; 320,04 na 319,23 °C. Sentensi tofauti katika mjadala inatoa halijoto za mwisho za Stage 2 kuwa 397,56; 381,63; 379,46 na 378,84 °C na kuziita T_max.

Dokezo la uthabiti wa ndani wa chanzo 5: Jedwali 5 linatoa mabaki ya KD10 na KD15 kuwa %7,37 na %6,45, ilhali maandishi ya mjadala yanatoa %7,34 na %6,35.

Kikomo cha takwimu: Kwa kuwa chanzo hakiripoti idadi ya marudio, mstari wa hitilafu, mkengeuko sanifu, thamani ya p au jaribio la nadharia tete, matumizi ya “significant” katika maandishi hayajapanuliwa kuwa umuhimu wa kitakwimu.

Kikomo cha mekanizimu: Maelezo ya waandishi kuhusu fibrillation, depolymerization, kudhoofika kwa vifungo vya hidrojeni, kupungua kwa ukristali na uwezekano wa ubadilishaji wa selulosi I → II katika konsentrashi kubwa ya NaOH ni tafsiri za mjadala; mabadiliko haya ya kimuundo hayajaonyeshwa katika utafiti huu kwa XRD, SEM au utambuzi mwingine wa moja kwa moja.

Kikomo cha matumizi: Utafiti unatathmini TGA na vigezo vya kinetiki; reakta halisi ya pyrolysis, mavuno ya uzalishaji wa bio-oil, kemia ya bidhaa, uchumi wa mchakato na utendaji wa kuongeza kiwango havikupimwa.

Tofauti ya rekodi ya ISSN: Kichwa cha PDF iliyopakiwa kinaonyesha p-ISSN 2579-8537 na e-ISSN 2579-9746, ilhali ukurasa rasmi wa sasa wa About wa jarida unaorodhesha thamani tofauti za p-ISSN/e-ISSN. Tofauti hii haijapatanishwa kimya kimya.