無機バインダーとしてベントナイトを使用した亜瀝青炭と焙焼バイオマスの練炭化

Scientific Reports volume 12、記事番号: 8716 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

エネルギー生成のための亜瀝青炭や焙焼バイオマスの練炭に無機バインダーを使用する例はほとんどありません。 本研究は、ベントナイトをバインダーとして使用し、亜瀝青炭（SubC）と焙焼バイオマス（TM）から製造された練炭の物理機械的耐久性とエネルギー含有量に焦点を当てています。 ブリケットは 95% SubC と 5% TM を使用して製造されました。 ベントナイトは、SubC と TM の合計重量の 2 ～ 10% で変化しました。 練炭は、油圧プレスで一定の圧力 (28 MPa) で製造されました。 ブリケットは最初に室温で硬化され、次に管状炉内で不活性条件下で 300 \(^\circ{\rm C}\) で 60 分間硬化されました。 ブリケットの密度と耐水性 (WRI) を評価しました。 ブリケットの落下破壊（ＤＦ）、耐衝撃性指数（ＩＲＩ）、冷間圧壊強度（ＣＣＳ）および転倒強度指数（ＴＳＩ＋３ｍｍ）を求めた。 反応性指数 (RI)、近似値、極限値、および発熱量の分析は、さまざまな ASTM 規格に基づいて評価されました。 微細構造の研究と元素マッピングは、EDS と電子プローブ マイクロアナライザーを備えた走査型電子顕微鏡を使用して実行されました。 密度はベントナイト含有量の増加とともに増加しました。 WRI はベントナイトの増加とともに減少しましたが、結合剤含有量 10% で最小値 (95.21%) が得られました。 DF と IRI の範囲は、それぞれ 100 ～ 150 と 2000 ～ 3000 です。 CCS は 19.71 ～ 40.23 MPa の範囲でした。 RI は 34 ～ 50% の範囲で変化します。 ブリケット中のベントナイト含有量が増加すると、固定炭素、炭素および発熱量が低下しました。 機械的に結合した酸素とシリカの架橋が練炭の顕微鏡写真で観察されました。 2% のベントナイト含有量で製造された練炭は、同等のエネルギー含有量でより優れた物理機械的耐久性を備えています。 熱および冶金用途の原料として推奨されます。

廃棄物の生成は人間にとって不可欠な部分です。 これらの廃棄物の一部は、さまざまな産業や家庭での用途に適した原料となります。 石炭の採掘、取り扱い、輸送から生じる廃棄物は常に 100 万トン単位です1。 石炭微粉 (< 3 mm) は廃棄物と呼ばれることが多く、塊炭を加工または取り扱うときに必然的に生成されます2,3。 木材加工産業からの廃棄物も、特に発展途上国では百万トンに上ると報告されています4,5。 これらの廃棄物は、エネルギー生成 6,7、金属マトリックス複合材の強化 8,9,10、マイクロ電気機械システム 3 など、さまざまな応用分野で有用であることがわかっています。 主に発展途上国は、エネルギー構成が低いという特有の問題を抱えています。 したがって、さまざまな分野の研究者が、既存のエネルギー源に追加できる可能性のあるエネルギー源として、これらの廃棄物（石炭とバイオマス）を利用し続けています。 Adeleke11 は、穏やかな熱分解によってバイオマス廃棄物のエネルギー含有量を改善し、それを希薄グレードの石炭廃棄物に添加して複合練炭を製造しました。 製造された燃料練炭は、産業用および家庭用として推奨されました。 Adelekeら12は、改良型バイオマスと固形燃料としての石炭微粉から練炭を製造した。 練炭は機械的に安定しており、燃焼特性も良好であることが報告されています。 Trubetskaya et al.13 は、焙焼されたバイオマスと石炭から作られた薪ストーブ用練炭の特徴を明らかにしました。 無機物は、原料の有機組成よりも練炭の反応性に影響を与えませんでした。 無機物の増加に伴ってブリケットの気孔率が低下した。 練炭の物理機械的完全性は報告されていない。 Guo et al.14 は、褐炭練炭用に最適化された複合バインダーを開発しました。 使用したバインダーはポリビニルアルコールとフミン酸ナトリウムでした。 機械的強度を向上させるための最適な複合バインダーとして、フミン酸ナトリウム (2wt.%) とポリビニル アルコール (0.5wt.%) が得られました。 亜炭練炭は産業用途に推奨されました。 石炭廃棄物から強力な練炭を製造する試みにおいて、Zhong らは糖蜜とコールタールピッチを結合剤として混合した15。 製造された最良のブリケットは、圧縮強度が 13.06 MPa、破壊までの落下速度が 56.6 時間/2 m であると報告されています。 練炭は主に COREX 製鉄プロセス用に製造されました。 Adeleke et al.2 は、ピッチバインダーを使用して石炭と木材微粉から複合ブリケットを製造し、特性評価しました。 木材微粉は、発熱量を改善し、その結合特性を発現させるために、最初に焙焼されました。 練炭は、3 ～ 20% の焙焼バイオマスと 80 ～ 97% の微粉炭から製造されました。 複合ブリケットでは、最適冷間圧潰強度 4 MPa、落下破壊時間 54 時間/2 m、および耐衝撃指数 1350 が記録されました。 練炭は産業用途に推奨されました。 Adeleke et al.4 はさらに、糖蜜とブレンドピッチをバインダーとして使用し、焙焼バイオマスと石炭から練炭を製造しました。 サンプルの転倒強度指数 (TSI+3 mm) と反応性指数 (RI) を、冶金用途の原料として使用できるかどうか評価しました。 硬化サンプルと 1200 \(^\circ{\rm C}\) に曝露したサンプルでは、​​TSI+3 mm が得られました。 硬化練炭サンプルの TSI+3 mm は 95.5 ～ 98.3% でしたが、1200 \(^\circ{\rm C}\) にさらされたサンプルでは 57.4 ～ 77.4% に大幅に低下しました。 練炭の RI は 48 ～ 56% であり、これは反応性が高いことを示していました。 TSI+3 mm と RI の結果、ブリケットは特に直接還元鉄の製造におけるロータリーキルンにおける炭素質材料として適切であることが報告されました。 石炭とバイオマスの複合物として製造されるさまざまな練炭の機械的安定性については、終わりのない議論があります。 これにより、さまざまなタイプの結合剤を使用して、エネルギー値を損なうことなく、より優れた機械的強度を備えたブリケットを製造することに新たな関心が集まりました。 これにより、最終的には研究者や実業家が固体燃料練炭の標準化された許容可能な機械的特性とエネルギー特性を導き出せる可能性があります。 したがって、本研究は、無機バインダーであるベントナイトを使用して、亜瀝青炭と焙焼バイオマスから製造された練炭の機械的完全性を改善することに焦点を当てています。 ベントナイトは、火山灰の変質によって頻繁に得られるアルミニウム層状ケイ酸塩です。 このバインダーはナイジェリアでは 100 万トンで入手可能です16。 ベントナイトは、複合材料に汚染物質を添加せずに練炭の強度を向上させる傾向がある優れた結合剤です17。 本研究は、亜瀝青炭および焙焼バイオマスの練炭用バインダーとしてのベントナイトの使用に関する限定的な研究成果に基づいて提案されている。 練炭は亜瀝青炭 (95%) と焙焼バイオマス (5%) から製造され、練炭の総重量に基づいてベントナイトを 2 ～ 10% の間で変化させます。 練炭の物理機械的分析とエネルギー含有量の分析が行われました。 無機バインダーとしてベントナイトを使用すると、ハイブリッド練炭の物理機械的特性が改善されることが期待されます。 これは、他の有機および無機バインダーから製造された練炭の良い比較として役立ちます。

本研究で練炭の製造に使用した原料は、亜瀝青炭（SubC）微粉、メリナ木質バイオマス（MWB）、ベントナイトでした。 SubC はナイジェリアのオカバ鉱山から入手し、MWB はナイジェリアのベニンシティから入手しました。 ベントナイトがバインダーとして使用され、インドのジャムシェドプールから入手されました。 これらの原料を図1に示します。

原料は (a) 亜瀝青炭、(b) 焙焼バイオマス、(c) ベントナイト。

亜瀝青炭微粉をさらに粉砕し、天日乾燥し、0.70 mm 未満まで篩い分けしました。 Adeleke et al.1 が以前に説明したように、境界のない水分を除去するために、105 \(^\circ{\rm C}\) のオーブンで 30 分間さらに乾燥させました。 Adeleke ら 2 によって報告された近似、極限、発熱量 (HHV) を表 1 に示します。メリナの焙焼の詳細は、Odusote ら 7 によっても報告されています。 使用した焙焼バイオマスは 0.70 mm 未満でした。 表 1 は、焙焼されたバイオマスの近似発熱量、極限発熱量、および発熱量を示しています。 ベントナイトを天日乾燥し、粒子サイズが 0.70 mm 未満になるように篩い分けしました。 これは、すべての複合材料とバインダーの粒子サイズを均一にするためです。 ベントナイトの化学組成（酸化物）は、蛍光Ｘ線分光計（Ｂｒｕｋｅｒ ５８ ＴＩＧＥＲモデル）を使用して得た。 組成を表 1 に示します。

亜瀝青炭微粉（25 g の 95%）、焙焼バイオマス（25 g の 5%）およびベントナイト（練炭重量全体の 2 ～ 10%）を機械的に混合しました。 水を石炭および焙焼バイオマスの総重量の１０％として加え、均質性を得るために、材料全体を５０ｒｐｍで５分間メカニカルスターラーを使用して一緒に混合した。 次いで、この混合物を内径２５ｍｍの円筒形のダイに分配した。 ２８ＭＰａの一定圧力の油圧プレスを使用して、ブレンドを練炭に圧縮した。 金型から荷重を徐々に取り除き、サンプルを金型から取り出しました。 緑色のブリケットを室温で 36 時間乾燥させました。 サンプルのさらなる硬化は、管状炉に窒素 (50 ml/分) を導入して、温度 300 \(^\circ{\rm C}\)、滞留時間 60 分の不活性環境を形成することによって行われました。 サンプルを取り出し、デシケーターに入れて室温で冷却した。 サンプルは、物理機械的完全性とエネルギー含有量の評価前にジップロックバッグに保存されました。

物理的完全性は、密度や耐水性指数 (WRI) などの物理的特性によって判断されます。 ブリケットの密度は、式 1 を使用して取得されました。 (1) ここで、m は質量、v は体積です。 耐水性は、修正された Richard の方法 18 を使用して得られました。 重り (\({\mathrm{W}}_{1}\)) の練炭を、\(30\pm 2\mathrm{^\circ{\rm) の容量 200 ml の蒸留水を入れた円筒形のガラスに浸しました。 C} }\) 30 分間。 次いで、練炭サンプルを取り出し、表面の水を減らすために洗浄した。 サンプルは後で \({\mathrm{W}}_{2}\) として再計量されました。 練炭の重量の相対変化を決定し、方程式を使用して吸水率を評価しました。 (2) 一方、WRI (%) は式 (2) を使用して取得されました。 (3)。

練炭の機械的完全性は、練炭の機械的特性の尺度です。 これらには、冷間圧壊強度 (CCS)、落下破壊強度 (DF)、耐衝撃性指数 (IRI)、および転倒強度指数 (TS1+3 mm) が含まれます。 CCS を取得するために万能機械試験機 (10 Kw Hounsfield 装置) を使用しました。 機械の圧縮モードは、コークスと練炭に規定されているとおりに使用されました19。 砕ける前に練炭が耐えることができる最大破砕荷重 (\({\mathrm{M}}_{\mathrm{f}}\)) が記録され、練炭ごとに 3 回行われました。 次に、平均 \({\mathrm{M}}_{\mathrm{f}}\) を利用して、式 (1) に基づいて CCS を決定しました。 (4)。 式では、 (4)、D は練炭の底円直径です。 DF は、練炭サンプルを高さ 2 m から破損するまで落下させることによって実行されました。 壊れるまでにかかった平均時間/2mを記録しました。 3 回の反復の平均を利用して、耐落下性を評価しました。 IRI は、式 1 を使用した DF テストから得られました。 (5)。

練炭の転倒強度指数 (TS1+3 mm) は、Adeleke et al.4 の研究で報告された方法を使用して取得されました。 一部のサンプルは炉内で 1200 \(^\circ{\rm C}\) にさらされ、2 時間保持されました。 硬化したものと 1200 \(^\circ{\rm C}\) にさらしたものを転倒試験に採用しました。 特定された重量 (\({\mathrm{W}}_{\mathrm{o}}\)) の 3 つの練炭サンプルを鋼管 (内径 40 mm、長さ 200 mm) に入れ、一定速度で回転させました。 30 rpmの速度で20分間。 タンブリング後、サンプルを取り出し、3.15 mm のふるいで選別しました。 サンプルの±3mm粒子の重量を測定した。 得られた値を使用して、式 (1) に従って TS1+3 mm を評価しました。 (6)。

ここで、\({W}_{+3mm}\) と \({W}_{o}\) は、それぞれ + 3 mm の粒子サイズと初期サンプルの重量です。

ブリケットサンプルの反応性は、ASTM D5341M-14 規格 20 に従って実行されました。 この方法の詳細は、以前の研究で報告されています2。 RI はサンプルごとに 2 回取得されました。 精密分析では、粉砕サンプルの水分含有量 (MC)、灰分、揮発性物質 (VM)、および固定炭素 (FC) 含有量が予測され、IS: 1350-1 規格 21 に従って実行されました。 粉砕ブリケットの最終分析（炭素、水素、窒素、硫黄、酸素）は ASTM D5373-16 規格 22 に基づいて実施し、発熱量は酸素ボンベ熱量計（モデル A1290DDEE）を使用して ASTM D5865-04 規格 23 に従って取得しました。 。

ブリケットの微細構造は、EDS を備えた走査型電子顕微鏡 (Nova Nano SEM 430) で観察されました。 2% ベントナイトを含むブリケットを、EDX (JEOL 8230 モデル) を備えた電子プローブマイクロアナライザーの下で元素マッピングにさらしました。 これは、最高のエネルギー値が得られるためです。 したがって、その形成内の各元素の広がりと範囲を理解する必要があります。

密度は燃料練炭の重要な物理的特性です。 密度が高いということは、エネルギー/体積比が高いことを意味します。 生練炭と硬化練炭の密度を図 2a に示します。 緑色サンプルの密度は 1.48 ～ 1.64 g/cm3 の範囲でした。 硬化ブリケットの密度は、１．２４〜１．４４ｇ／ｃｍ ３ であった。 ブリケットの密度は、ベントナイト含有量の増加とともに増加しました。 これは、ベントナイトの密度が高く、したがって密度が増加することを意味します。 硬化プロセスにより密度が減少しました。 これは、300 \(^\circ{\rm C}\)24 で無制限の水分損失、光揮発性物質の発生、反応性乾燥が起こるためと予想されます。 この研究で製造された練炭の密度は、以前の研究 1,2 よりもわずかに高くなります。 これは、これらの研究で使用された結合剤（糖蜜やピッチ）よりも密度の高いベントナイトが添加されたためです。 より細かい粒子を含む材料は、結合のための大きな表面積を持ちます。 ベントナイトはピッチバインダーよりも本質的に微細であるため、これも高密度の原因である可能性があります。 練炭中のベントナイトの量が増えると、練炭の密度がさらに高くなる可能性があります。 練炭には標準的な許容値はありませんが、密度が高いほどコストが下がり、燃焼時間が長くなるため、輸送には適しています25。 ただし、密度が非常に高い練炭の燃焼特性には悪影響があります。 したがって、バランスが必要です。 Richard18 は練炭の特性に関する参考文献として広く受け入れられています。 産業用および家庭用に許容される練炭に推奨される密度は、1.25 ～ 1.30 g/cm3 の範囲です。 2% および 4% のベントナイトを含む練炭はこの要件を満たしました。 この研究で製造された練炭は、輸送、取り扱い、保管に適しています。 図2bに示す耐水性指数（WRI）は、練炭が湿気の多い環境での劣化に耐えられる程度を示します。 練炭の WRI は 98.21 ～ 99.36% の範囲です。 ベントナイトの増加により WRI が継続的に減少することが観察できました。 これは、ベントナイトが本質的に親水性であることを示しています。 ベントナイト含有量が多いほど、より多くの水が練炭に吸収され、保持されることを意味します。 現在の練炭の WRI は、Mollah et al.26、Zhong et al.15、Adeleke et al.4 の研究によく匹敵します。 Richard18 は、WRI の許容練炭のベンチマークを 95% として評価しました。 つまり、生成された練炭サンプルはすべてベンチマークを上回っています。 ただし、ベントナイト含有量が高くなると、吸湿性が高くなる可能性があります。 これにより、湿った状態にさらされたり、水と接触したりすると、ブリケットが部分的または全体的に崩壊する可能性があります。 練炭の WRI は、さまざまなエネルギー用途に推奨される練炭とよく比較されますが、湿気にほとんどまたはまったくさらされない場所に保管する必要があります。

燃料練炭の物理的特性 (a) 密度、(b) WRI。

重力劣化に対する練炭の反応は、その機械的耐久性の指標となります27。 落下破壊 (DF) と耐衝撃性指数 (IRI) は、耐久性を評価する際に役立つツールです。 この研究におけるブリケットの DF と IRI を図 3 に示します。DF は 100 ～ 150 回/2 m の範囲で変化し、ブリケット内のベントナイト含有量が 10% のときに最高値が得られました。 ベントナイトには SiO2 が多く含まれており、これは、Si-O-Si 結合の低温結合強度が重力衝撃に対する練炭を強化した可能性があることを示唆しています。 練炭の IRI 値は 2000 から 3000 の範囲です。この値の範囲は、工業用途の練炭に推奨される IRI 50 と比較して非常に高いです18。 Adeleke et al.2 によって報告されているように、ベントナイト結合剤を使用した練炭生産物の IRI は、ピッチおよび糖蜜結合剤を使用した石炭およびバイオマスの練炭で得られた値 (150 ～ 1175) よりも高くなります。 興味深いことに、ブリケットの硬化プロセスにより、ベントナイト内の Si-O-Si 結合の結合強度が 300 \(^\circ{\rm C}\) で強化され、DF と IRI が強化されました。 すべてのブリケットは、DF および IRI に基づいて変質することなく輸送、取り扱い、保管できる非常に優れた原料です。

燃料練炭の破砕と IRI への落下。

図 4 は、ブリケットの冷間圧壊強度 (CCS) を示しています。 CCS は、練炭の輸送、取り扱い、保管中の破損や摩耗のしやすさを表します。 CCS は、練炭の機械的耐久性のリトマス試験紙でもあります。 この研究で製造された練炭の CCS は 19.72 ～ 40.12 MPa の範囲でした。 CCS は練炭中のベントナイトの増加とともに増加しました。 前述したように、本研究では、ブリケットの CCS を強化するために低温でジオポリマーを製造するための強力な結合として報告されている Si-O-Si 結合を調査しました。 ブリケット内の Si-O-Si 結合が多ければ多いほど、CCS は向上します。 比較すると、練炭は、CCS の点で、石炭および焙焼バイオマス練炭に関するこれまでの研究すべてを上回っていました2,28。 ブリケットの強度は、Borowski と Hycnar29 が産業用途のブリケットに推奨する最小値 1.0 MPa を超えました。 ブリケットの DF、IRI、CCS はベントナイトの増加によりプラスの影響を受けました。 ブリケットの物理機械的特性は、ブリケットが本質的に耐久性があり、輸送、取り扱い、保管条件に適していることを示しています。 したがって、ベントナイトは、亜瀝青炭および焙焼バイオマスを耐久性燃料に練炭化するための実行可能な無機結合剤である。

燃料練炭の CCS。

図 5 は、すべてのブリケットの転倒強度指数 (TSI+3 mm) を示しています。 転倒強度は摩耗強度と呼ばれ、TSI+3 mm の値で測定されます。 すべての練炭について、転倒強度指数は、Richard18 および Thoms30 が耐久性練炭に対して推奨する 95% を超えました。 この研究における磨耗力に対する練炭の反応は、結合剤としてピッチと糖蜜を使用して製造された練炭にわずかに似ています。 本研究ではブリケットの TSI+3 mm に改善が見られました。 これはベントナイト（SiO2、MgO、CaO）の含有量による結合強度によるものと考えられます。 硬化ブリケットの TSI+3 mm は非常に魅力的 (> 95%) であり、これはブリケットの取り扱い、輸送、使用中の転動力や磨耗による小さな粒子 (微粉) の生成が少ないことを意味します。 1200 \(^\circ{\rm C}\) に曝露されたサンプルの TSI+3 mm は、78.20 ～ 84.44% の範囲でした。 TSI+3 mm は、コークスの還元後のコークス強度 (CSR) を模倣したものです。 65% の CSR は反応性が低いことを示しており、コークスにとっては良好です 31,32。 タンブリング試験前に養生しただけの練炭サンプルと比較して、亜瀝青炭と焙焼バイオマスの脱揮と分解がさらに進むと、1200 \(^\circ{\rm C}\) に曝露されたものの TSI+3 mm が減少すると予想されます。 したがって、TSI+3 mm の削減の背後にある理論的根拠は次のとおりです。 1200 \(^\circ{\rm C}\) の転倒強度指数は、二重目的 (火力発電所のエネルギー原料と冶金還元剤) を目的として製造された練炭に必要です。 したがって、本発明のブリケットの転動強度は、それらがロータリーキルン内の高温環境下での転動劣化に対する耐性を有することを示している。 ブリケットは窯での冶金プロセスに適しています。

製造された燃料練炭の転倒強度指数。

練炭の反応性指数 (RI) を図 6 に示します。練炭の RI は 34 ～ 50% の範囲でした。 反応性が最も低かったのは、10% で生成されたサンプルでした。 ベントナイト含有量が高くなるほど、RI は低くなります。 RI は本質的に、特に酸化環境におけるブリケットの反応性能の速度と質量損失傾向を示します。 使用中に、練炭は揮発分除去と劣化により重量と内容量が減少することが予想されます。 ただし、過度であってはなりません5。 ベントナイトの増加による練炭の RI の減少は、その反応性が極めて低いことを示しています 16。 サンプルの RI は、高炉で燃料および還元剤として使用される通常のコークスの推奨範囲の 20 ～ 30% を上回っていました33。 テストの本質は、ベントナイト結合剤で作られた練炭の反応挙動を理解することです。 このテストでは、\(\le\) 1200 \(^\circ{\rm C}\) のロータリー キルンでの還元シナリオで練炭が他の原料とよく反応することが示されました。

ハイブリッド燃料練炭の反応性指数 (RI) に対するバインダーの変化の影響。

この研究で製造された練炭の製造に使用された無機結合剤は、そのエネルギー含有量に大幅に悪影響を与えると考えられています34。 したがって、練炭の近似値、最終値、および発熱量は、そのエネルギー含有量と有用性の主要なリトマス試験紙となります。 Chou ら 35 と Ajimotokan ら 36 は、物理機械的特性が良好でエネルギー含量が低い練炭は固体燃料として不十分であることを強調しました。 おおよその含有量を図 7 に示します。ベントナイトの増加により、揮発性物質と水分は一定ですが、固定炭素 (FC) が減少し、灰分が増加しました。 固定炭素の減少は主に発熱量（発熱量）の減少を示します。 これはこれらのブリケットにも当てはまり、ベントナイトが 2% ～ 10% のブリケットでは HHV がそれぞれ 24 MJ/kg から 17 MJ/kg に減少しました。 固定炭素は、エネルギーおよび冶金用途において固体燃料がどれほど効率的であるかを示す主要な指標です37。 ベントナイト中の SiO2 やその他の無機酸化物の存在は、エネルギー含有量の低下に重要な役割を果たします。 ただし、2% ベントナイトを使用すると、練炭は以前の研究で報告されたのと同様の特性を示しました2。 有機バインダーを使用して石炭とバイオマスから製造された練炭の FC は 65.13 ～ 65.25% の範囲でした。 ベントナイト含有量の増加は練炭のエネルギー含有量にダメージを与え、使用時の燃焼挙動に影響を与えます。 ブリケットの炭素 (C)、水素 (H)、窒素 (N)、硫黄 (S)、および酸素 (O) の含有量を表 2 に示します。注目すべきことに、ベントナイトの増加に伴って炭素は 72.74 % から 63.41% に減少しました。 FC が減少したため、これは予想されます。 H、N、S はほぼ一定でしたが、ベントナイト含有量の増加に伴って酸素も減少しました。 ベントナイトが増加するにつれて、酸素との Si-O-Si 結合が増加する傾向が高くなります。 したがって、化学反応によって結合酸素が増加します。 すべての兆候から、練炭内のベントナイトが増加すると、より多くのエネルギー含有量が損なわれます。 したがって、練炭にうらやましい機械的耐久性を生み出す 2% のベントナイトは、固体燃料として亜瀝青炭と焙焼バイオマスを結合させるのに十分です。

バインダー含有量が異なるサンプルの近接分析。

結合のメカニズムを理解するために、ブリケットサンプルを顕微鏡で観察し、その SEM 画像を図 8 に示します。画像 (図 8a ～ e) には、帯電効果のある粒状で不規則な構造が示されています。 帯電効果は練炭について Zhong ら 15 によって報告されており、本研究では練炭内のベントナイトの増加とともに増大します。 図 8e は、この微細構造の詳細を示しています。 この現象は、以前の研究で酸素橋であると推定されています5。 ただし、バインダーとしてベントナイトを使用すると、酸素とシリカの架橋が生じる可能性があります。 酸素-シリカ橋は図8d、eで顕著でした。 練炭の構造的構成に見られる機械的結合と相まって、酸素架橋とシリカ含有量がベントナイトの増加による強度の向上に寄与している可能性があります。 重要な評価では、図9は図8eのSEM画像上の4つの異なる点の元素分析を投影しています。 帯電効果が顕著な領域 (1、2、および 3) では酸素とシリコンが大半を占めていましたが、ダークスポット (4) にはより多くの炭素含有量 (83.51%) が含まれていました。 これは、シリカが酸素架橋とともに練炭の強度を向上させる上で重要な役割を果たすという最初の説明への補足です。 エネルギー含有量の点で最良の練炭の元素マッピング (2% ベントナイト) を図 10 に示します。このマッピングは、練炭中の主な元素が炭素であることを示しています。 これは、亜瀝青炭とバイオマスは主に炭素が多く含まれているためです。 図 10 は、酸素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、硫黄、カリウム、カルシウム、鉄が炭素に沿って採取されたことも示しています。 練炭使用時の完全燃焼には、これらの元素が均一に広がることが重要です2。 これらの元素は練炭の表面全体に均一に分布しています。 そのような位置での燃料練炭の燃焼を阻害する可能性のある元素は、その位置では支配的ではない。

ベントナイト含有量を変化させたブリケットの SEM 画像 (a) 2%、(b) 4%、(c) 6%、(d) 8%、(e) 10%。

10% ベントナイトを含むサンプルの点元素分析。

2% ベントナイトを含む練炭の元素マッピング。

亜瀝青炭や焙焼バイオマスの練炭用の無機バインダーとしてベントナイトを使用することが研究されています。 製造された練炭の物理機械的耐久性とエネルギー含有量が評価されました。 ベントナイトは練炭の耐水性指数を低下させました。 ブリケット内のベントナイトの増加により、耐落下破壊性と耐衝撃性が向上しました。 ブリケットの最高落下破壊指数と耐衝撃指数は、それぞれ 150 回/2 m と 3000 でした。 最も高い冷間圧壊強度は、ベントナイト含有量が 10% の場合に得られました。 ベントナイトは練炭のエネルギー含有量を損ないました。 最小のエネルギー含有量 (17.68 MJ/kg) は 10% ベントナイトで得られました。 炭素およびその他の元素は練炭内に均一に分散されました。 物理機械的耐久性とエネルギー含有量の間に必要なバランスに基づいて、亜瀝青炭および焙焼バイオマスの練炭用バインダー含有量として 2% のベントナイトが推奨されます。 2% 石炭ベントナイトで製造された練炭は、火力発電所やロータリー キルンの優れた原料です。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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AA アデレケ

ナイジェリア、イロリンのイロリン大学材料冶金工学科

JKオドゥソテ

ランドマーク大学機械工学科、オムアラン、ナイジェリア

PP幾番尼

リベリア、ハーパーのウィリアム・タブマン大学機械工学科

AS オラビシ

ナイジェリア・アブジャ、ナイジェリア・ナイル大学石油ガス工学科

P. ンゼレム

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AAA と OJK が研究アイデアを考案しました。 AAA と IPP は研究用の材料を提供し、サンプルを準備しました。 AAA は、必要なデータを取得するために、準備されたサンプルに対してさらなる実験室実験を実施しました。 AAA と OAS がデータ分析を行いました。 AAA が原稿の初稿を書きました。 OJK、IPP、OAS、および NP は、この原稿の科学的議論に貢献しました。

PPいくばんに対応。

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転載と許可

Adeleke、AA、Odusote、JK、Ikubanni、PP 他無機バインダーとしてベントナイトを使用した亜瀝青炭と焙焼バイオマスの練炭化。 Sci Rep 12、8716 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-12685-5

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受信日: 2022 年 3 月 8 日

受理日: 2022 年 5 月 13 日

公開日: 2022 年 5 月 24 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12685-5

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