Planteskeletter:Vejning af miljøpåvirkningerne af et biprodukt fra forbrænding af biobrændstof

Som en vedvarende ressource, biomasse er et attraktivt alternativ til fossile brændstoffer til energiproduktion. brændende planter, imidlertid, er ikke en helt ren proces; det producerer emissioner, der varierer afhængigt af den anvendte art, forbrændingsforholdene, og luftforureningskontrollen.

For at forstå en komponent af disse emissioner, en international, multidisciplinært team ledet af University of Pennsylvania mineraloger brugte meget følsom mikroskopi til at studere phytoliths, små forekomster af mineraler indeholdende silicium eller calcium til stede i visse planter. Disse kemiske elementer absorberes fra jorden sammen med andre næringsstoffer. Fytolitterne giver planter styrke og struktur og er almindelige i nogle plantefamilier, der almindeligvis anvendes til biobrændstof, såsom græsser.

Indrapportering Industrielle afgrøder og produkter , forskerne fandt, at phytoliths forbliver, efter at planter er brændt i et biobrændstofforbrændingsanlæg, men i partikelstørrelser, der er store nok til, at de sandsynligvis ikke udgør en sundhedsrisiko. Men fordi phytoliths kan reducere effektiviteten af ​​energiomdannelse, kraftværker skal inddrage dem i deres drift, holdet noterer. På den anden side, den phytolith-holdige aske fra forbrændingen kunne sælges til brug i cementproduktion eller som gødning.

"Dette er et interessant emne, fordi biomasseafbrænding kan have mange fordele, men også nogle utilsigtede konsekvenser, " siger Reto Gieré, en miljøforsker ved Penn og seniorforfatter på undersøgelsen. "Vi er nødt til at tænke på sådanne konsekvenser, når vi vil anvende disse metoder i stor skala."

Kendt som skelettet af planter, phytoliths er for det meste studeret inden for arkæologi; bevarede phytoliths fra gamle planter fortæller palæobotanikere om forhistoriske økosystemer og landbrugsafgrøder. Men disse rester viser sig nu at være interessante for ingeniører, geologer, og kemikere, der studerer phytoliters rolle under biomasseforbrænding og deres potentielle miljøpåvirkninger.

Gieré og Ruggero Vigliaturo, en postdoc-forsker i Gierés laboratorium med ekspertise i elektronmikroskopi, som er den første forfatter på undersøgelsen, samarbejdet med ingeniører, kemikere, og miljøforskere i Frankrig, Tyskland, og USA for nøje at undersøge de phytolitter, der er til stede i en hurtigtvoksende planteart, der almindeligvis anvendes i biobrændstofoperationer: Miscanthus sinensis , eller kinesisk sølvgræs.

Forskerne udtog phytoliths fra prøver af tørret græs og fra materialet indsamlet i et biomassekraftværks cyklon, en luftforureningskontrolanordning. Ved at bruge både optisk og scanningselektronmikroskopi, forskerne observerede phytoliths i råmaterialet såvel som i flyveaske indsamlet fra kraftværkets cyklon. Fluorescens optisk mikroskopi var særligt velegnet til at skelne strukturen af ​​phytolitterne, de fandt.

Kemiske analyser afslørede, at Miscanthus phytoliths primært var sammensat af silica, hvilken, ved indånding, har været forbundet med luftvejsproblemer.

"Imidlertid, selve phytolitterne er faktisk ret store, " siger Gieré, "og for stor til at gå dybt ned i vores lunger."

Fordi phytoliths ikke selv forbrænder i kraftværker, de reducerer den samlede effektivitet af operationerne og kan tilstoppe røggaskanalerne med partikler, konstaterer forskerne.

Alligevel er phytoliths ikke alle dårlige. De giver de nødvendige mineraler til planter, og dermed kan askerester fra biomasseafbrænding bruges som gødning. Og ligesom kulaske bruges som bindemiddel i cementproduktionen, den phytolith-holdige aske kunne også finde en anden anvendelse i denne industri, som er berygtet for sit bidrag til globale kulstofemissioner. Brugen af ​​biomasseaske vil sænke cementproduktionens CO2-fodaftryk.

Ud over, Miscanthus sinensis ser ud til at optage bemærkelsesværdige mængder zink og cadmium, når det vokser, fandt forskerne. Hvis det plantes på jord, der er forurenet med disse metaller, afgrøden kunne sanere jorden.

"Så kunne vi høste afgrøden, brænde det for energi, og hvis vi finder den rigtige mekanisme, genvinde zink og cadmium fra asken, som så kan bruges som sekundært råmateriale i cementindustrien, " siger Gieré.

Som et næste skridt, forskerne håber at bruge transmissionselektronmikroskopi til at få endnu finere data om sammensætningen og strukturen af ​​phytoliths i en given prøve af aske, oplysninger, der kunne hjælpe biomassekraftværker med at skræddersy deres luftforureningskontrolenheder og brændstofinput i overensstemmelse hermed.

Og fordi hver planteart har en anden phytolith-profil, hver enkelt skal studeres selvstændigt. Forskerne er i gang med en undersøgelse af risfytolitter, da de risstilke, der er tilbage efter høst, kan være en værdifuld kilde til biobrændstof.

"Det meste rishalm brændes i øjeblikket på marken, " siger Gieré. "Kontrolleret forbrænding af rishalm, imidlertid, er en potentiel anvendelse for det, der nu er et affaldsprodukt. Det ville også eliminere et enormt problem i Sydøstasien, fordi disen fra de ukontrollerede rismarksbrande resulterer i en enorm forurening, der har en stor indvirkning på millioner af mennesker."