SLOW PYROLYSIS OF TAPIOCA WASTES FOR BIOCHAR PRODUCTION AND CHARACTERIZATION

 

ABSTRACT

 

The main objective of this study is to investigate the impacts of various pyrolysis parameters such as temperature, heating rate, residence time and ash content of feedstock on the biochar yield and its characteristics. The biochars were produced using tapioca stem and tapioca rhizome feedstocks via laboratory scale slow pyrolysis process. The biochars were characterized using the proximate analysis, ultimate analysis, Scanning Electron Microscope (SEM) analysis and Brunauer, Emmett and Teller (BET) surface area analysis. Prior to the study, feedstocks have been characterized and it was found that both tapioca stem and tapioca rhizome contained fairly high percentage of volatile matter and calorific values. This indicated that both feedstocks are suitable to undergo the thermochemical process such as slow pyrolysis. Both feedstocks were also found to be the environmental friendly feedstocks as it contains low nitrogen and sulphur content. High lignin and cellulose contents in both tapioca stem and tapioca rhizome indicated that the feedstocks were suitable for the biochar production. The increment of pyrolysis temperature significantly reduced the yield of tapioca stem biochar (TSB) from and tapioca rhizome biochar (TRB). As the temperature increased from 400 °C to 650 °C, the yield of TSB decreased from 35.86 mf wt. % to 25.79 mf wt. % while the yield of TRB decreased from 36.98 mf wt. % to 28.82 mf wt. %. Biochar produced at higher temperature increased its fixed carbon content. As the pyrolysis temperature rose from 400 °C to 650 °C, the TSB produced increased in fixed carbon content from 78.39 mf wt. % to 87.88 mf wt. % while the fixed carbon content of TRB increased from 79.20 mf wt. % to 84.46 mf wt. %. The increment of temperature from 400 °C to 600 °C increased the surface area of TSB from 0.83 m2/g to 36.12 m2/g and the surface area of TRB also increased from 0.24 m2/g to 12.29 m2/g. The heating rate parameter did not give pronounced effect on the biochar yield and its composition.

 

However, higher heating rate developed more pores on the surface of TSB and TRB thus increased its surface areas. The TSB produced at a heating rate of 25°C/min had the surface area of 10.58 m2/g, which is 12 times larger than the surface area of the TSB produced at a heating rate of 5 °C/min. The surface area of TRB produced at a heating rate of 25 °C/min was found to be 10.98 m2/g, which is 45 times larger than the surface area of TRB produced at a heating rate of 5 °C/min. The yield of TSB and TRB decreased as the residence time of pyrolysis increased. As the residence time was prolonged from 1.0 hour to 3.5 hour, the yield of TSB reduced from 35.86 mf wt. % to 33.27 mf wt. % while the yield of TRB also reduced from 36.98 mf wt. % to 32.23 mf wt. %. The increment of residence time from 1.0 hour to 3.5 hour increased the fixed carbon content of TSB from 78.39 mf wt. % to 81.88 mf wt. % and increased the fixed carbon content of TRB from 79.20 mf wt. % to 83.29 mf wt. %. The effect of residence time on the surface morphology of biochar was more apparent on the TRB compared to the TSB. The increment of residence time from 1.0 hour to 3.0 hour increased the surface area of TSB and TRB by 5 times and 29 times respectively. The water washing pre-treatments reduced the ash content of the tapioca rhizome feedstock from 7.28 mf wt. % to 2.24 mf wt. %. The effect of ash content of the tapioca rhizome feedstock was not apparent on the characteristics of the biochar produced, but feedstock with lower ash content was found to decrease the biochar yield. The reduction of ash content of the tapioca rhizome feedstock from 7.28 mf wt. % to 2.24 mf wt. % decreased the biochar yield from 36.98 mf wt. % to 31.83 mf wt.%

 

 

 

PIROLISIS PERLAHAN SISA-SISA UBI KAYU UNTUK PENGHASILAN DAN PENCIRIAN BIOARANG ABSTRAK

 

 

 

Objektif utama kajian ini adalah untuk menyiasat kesan pelbagai parameter pirolisis seperti suhu, kadar pemanasan, masa kediaman dan kandungan abu bahan suapan terhadap hasil bioarang dan ciri-cirinya. Bioarang telah dihasilkan dengan menggunakan bahan suapan batang ubi kayu dan rhizome ubi kayu melalui proses pirolisis perlahan berskala makmal. Ciri-ciri bioarang ditentukan dengan menggunakan analisis proksimat, analisis unsur, analisis Mikroskop Imbasan Elektron (SEM) dan analisis luas permukaan Brunauer, Emmett dan Teller (BET). Sebelum kajian, ciri-ciri bahan suapan telah ditentukan dan didapati bahawa kedua-dua batang ubi kayu dan rhizome ubi kayu mengandungi peratusan bahan meruap dan nilai kalori yang agak tinggi. Ini menunjukkan bahawa kedua-dua bahan suapan adalah sesuai untuk melalui proses termokimia seperti pirolisis perlahan. Kedua-dua bahan suapan juga didapati menjadi bahan suapan mesra alam kerana ia mengandungi kandungan nitrogen dan sulfur yang rendah. Kandungan lignin dan selulosa yang tinggi dalam kedua-dua batang ubi kayu dan rhizome ubi kayu menunjukkan bahawa bahan suapan ini adalah sesuai bagi penghasilan bioarang. Peningkatan suhu pirolisis mengurangkan hasil bioarang batang ubi kayu (TSB) dan bioarang rhizome ubi kayu (TRB). Apabila suhu meningkat dari 400 °C hingga 650 °C, hasil TSB berkurangan dari 35.86 mf wt. % kepada 25.79 mf wt. % manakala hasil TRB menurun dari 36.98 mf wt. % kepada 28.82 mf wt. %. Bioarang yang dihasilkan pada suhu yang lebih tinggi meningkatkan kandungan karbon tetapnya. Apabila suhu pirolisis meningkat dari 400 °C hingga 650 °C, kandungan karbon tetap TSB yang dihasilkan meningkat dari 78.39 mf wt. % kepada 87.88 mf wt. % manakala kandungan karbon tetap TRB meningkat dari 79.20 mf wt. % kepada 84.46 mf wt. %. Peningkatan suhu dari 400 °C hingga 600 °C meningkatkan luas permukaan TSB dari 0.83 m2/g hingga 36.12 m2/g dan luas permukaan TRB juga meningkat dari 0.24 m2/g kepada 12.29 m2/g. Parameter kadar pemanasan tidak memberi kesan yang ketara ke atas hasil bioarang dan komposisinya.

 

Walau bagaimanapun, kadar pemanasan yang lebih tinggi menghasilkan lebih banyak liang-liang pada permukaan TSB dan TRB sekaligus meningkatkan luas permukaannya. TSB yang dihasilkan pada kadar pemanasan 25 °C/min mempunyai luas permukaan 10.58 m2/g iaitu 12 kali lebih besar daripada luas permukaan TSB yang dihasilkan pada kadar pemanasan 5 °C/min. Luas permukaan TRB yang dihasilkan pada kadar pemanasan 25 °C/min didapati adalah 10.98 m2/g iaitu 45 kali lebih besar daripada luas permukaan TRB yang dihasilkan pada kadar pemanasan 5 °C/min. Hasil TSB dan TRB menurun apabila masa kediaman pirolisis meningkat. Apabila masa kediaman dilanjutkan dari 1.0 jam kepada 3.5 jam, hasil TSB berkurang dari 35.86 mf wt. % kepada 33.27 mf wt. % manakala hasil TRB juga menurun dari 36.98 mf wt. % kepada 32.23 mf wt. %. Peningkatan masa kediaman dari 1.0 jam kepada 3.5 jam meningkatkan kandungan karbon tetap TSB dari 78.39 mf wt. % kepada 81.88 mf wt. % dan meningkatkan kandungan karbon tetap TRB dari 79.20 mf wt. % kepada 83.29 mf wt. %. Kesan masa kediaman terhadap morfologi permukaan bioarang adalah lebih ketara pada TRB berbanding TSB. Peningkatan masa kediaman dari 1.0 jam kepada 3.0 jam meningkatkan kawasan permukaan TSB dan TRB masing-masing sebanyak 5 kali dan 29 kali ganda. Pra-rawatan basuhan air mengurangkan kandungan abu bahan suapan rhizome ubi kayu dari 7.28 mf wt. % kepada 2.24 mf wt. %. Kesan kandungan abu bahan suapan rhizome ubi kayu adalah tidak jelas pada ciri-ciri bioarang yang dihasilkan, tetapi bahan suapan dengan kandungan abu yang rendah telah didapati menurunkan hasil bioarang. Pengurangan kandungan abu bahan suapan rhizome ubi kayu dari 7.28 mf wt. % kepada 2.24 mf wt. % menurunkan hasil bioarang dari 36.98 mf wt. % kepada 31.83 mf wt. %.