Pyrolýza syrových vedlejších živočišných produktů

Abstract

Tato bakalářská práce se zabývá termochemickým zpracováním vedlejších živočišných produktů, konkrétně syrových hovězích kostí pomocí procesu pyrolýzy. Práce je zaměřena na studium mikrovlnné a konvenční pyrolýzy syrových hovězích kostí a na posouzení vlivu procesních podmínek (doby mikrovlnné pyrolýzy a výkonu mikrovln, použití chemické aktivace, teploty konvenční pyrolýzy) na výtěžky vzniklých produktů pyrolýzy a vlastnosti pevného produktu. Součástí práce je tedy i fyzikálně-chemická charakterizace pevného produktu pyrolýzy s využitím vybraných analytických metod jako jsou termogravimetrická analýza (TGA), organická elementární analýza (OEA), rentgenová fluorescenční spektroskopie (XRF), fyzisorpce dusíku při 77 K a Ramanova spektroskopie. Bylo zjištěno, že způsob ohřevu (mikrovlnný vs. konvekční) i procesní podmínky pyrolýzy významně ovlivňují výtěžky jednotlivých produktů pyrolýzy. Při mikrovlnné pyrolýze byl dosažen vyšší podíl pevné frakce (až 61 hm. %), zejména při použití chemických aktivátorů, zatímco konvenční pyrolýza vedla k vyšší výtěžnosti kapalné frakce (až 50 hm. %). Organická elementární analýza pevných produktů pyrolýzy prokázala obsah uhlíku v rozmezí 6,8–21,1 hm. %, přičemž nejvyšších obsahů uhlíku bylo dosaženo při použití chemické aktivace. Chemická analýza pevných produktů pyrolýzy pomocí rentgenové fluorescenční spektroskopie potvrdila vysoký obsah minerálních prvků, zejména vápníku a fosforu. Chemické analýzy odhalují, že pevné produkty pyrolýzy jsou kompozitní materiály sestávající se z minoritní uhlíkaté části a majoritní anorganické části. Fyzisorpční analýza potvrdila převážně mezoporézní-makroporézní charakter připravených pevných produktů, přičemž k tvorbě mikropórů ve struktuře pevného produktu došlo pouze při použití chemické aktivace. Ramanova spektroskopie ukázala rozdíly v uspořádanosti uhlíkaté struktury připravených pevných produktů v závislosti na podmínkách přípravy. Zatímco vyšší teplota konvenční pyrolýzy přispívá ke grafitizaci uhlíkaté struktury, chemická aktivace a mikrovlnná pyrolýza přispívají k vyšší míře neuspořádanosti uhlíkaté struktury. Na základě získaných výsledků lze konstatovat, že vhodnou volbou procesních parametrů pyrolýzy syrových hovězích kostí lze cíleně ovlivnit množství vznikajících produktů pyrolýzy a vlastnosti pevného produktu kompositního charakteru. Díky vysokému obsahu Ca, P, N, akceptovatelnému nízkému obsahu prchavé hořlaviny i přítomné mikroporézní-mesoporézní struktuře mají připravené pevné produkty potenciál pro další aplikace, například jako sorbenty či remedianty půd.

This bachelor thesis deals with the thermochemical processing of raw animal by-products, specifically of raw beef bones by using pyrolysis. The thesis focuses on the study of microwave and conventional pyrolysis of raw beef bones and on assessing the influence of process conditions (microwave pyrolysis time and microwave power, use of chemical activation, conventional pyrolysis temperature) on the yields of the resulting pyrolysis products and the properties of the solid product. The thesis, therefore, also includes the physicochemical characterization of the solid pyrolysis product using selected analytical methods such as the thermogravimetric analysis (TGA), organic elementary analysis (OEA), X-ray fluorescence spectroscopy (XRF), nitrogen physisorption at 77 K and Raman spectroscopy. It was found that both the heating method (microwave vs. convection) and the pyrolysis process significantly influence the yields of individual pyrolysis products. Microwave pyrolysis yielded a higher solid fraction (up to 61 wt.%), particularly when chemical activators were used, while conventional pyrolysis resulted in a higher liquid fraction yield (up to 50 wt.%). Organic elementary analysis of the solid pyrolysis products revealed a carbon content ranging from 6.8–21.1 wt.%, with the highest carbon contents achieved when chemical activation was used. Chemical analysis of the solid pyrolysis products using X-ray fluorescence spectroscopy confirmed a high content of mineral elements, particularly calcium and phosphorus. Chemical analyses suggest that the solid pyrolysis products are composite materials consisting of a minor carbonaceous fraction and a major inorganic fraction. Physisorption analyses confirmed the predominantly mesoporous-macroporous nature of the prepared solid products, with the formation of micropores in the solid product structure occurring only when chemical activation was used. Raman spectroscopy revealed differences in the order of the carbon structure of the prepared solid products depending on the preparation conditions. While the higher temperature of conventional pyrolysis contributes to the graphitization of the carbon structure, chemical activation and microwave pyrolysis contribute to a higher degree of disorder in the carbon structure. Based on the results obtained, it can be concluded that by selecting appropriate pyrolysis process parameters for raw beef bones pyrolysis, it is possible to specifically influence the yield of pyrolysis products and the properties of the resulting composite solid product. Thanks to the high content of Ca, P, and N, the acceptably low content of volatile combustible matter, and the microporous-mesoporous structure, the prepared solid products have potential for further applications, such as sorbents or soil remediants.