Application of Fourier transform infrared-photoacoustic spectroscopy for the characterisation of organic wastes and determination of their usefulness for bioenergy and as soil amendments

Τα οργανικά απόβλητα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πολύτιμα λιπάσματα. Σε σύγκριση με τα συνθετικά λιπάσματα, προσφέρουν μια σειρά από οφέλη για το έδαφος, όπως αύξηση της περιεκτικότητας σε οργανική ουσία και βελτίωση της δομής του εδάφους και της ικανότητας συγκράτησης νερού. Τα οργανικά απόβλητα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για άλλους σκοπούς, όπως η ανάκτηση ενέργειας μέσω παραγωγής αιθανόλης ή βιοαερίου. Υπάρχουν ήδη εργαστηριακές αναλύσεις που καθορίζουν τη χρησιμότητα των οργανικών αποβλήτων για αυτούς τους διαφορετικούς σκοπούς, αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις οι δοκιμές συνεπάγονται υψηλό λειτουργικό κόστος και μεγάλες χρονικές περιόδους. Ως εκ τούτου, ο κύριος στόχος αυτού του έργου ήταν να αναπτύξει λιγότερο δαπανηρές και χρονοβόρες τεχνικές που θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν εν μέρει τις εργαστηριακές δοκιμές για τον προσδιορισμό της χρησιμότητας των οργανικών αποβλήτων. Σε αυτό το έργο δοκιμάστηκε η δυνατότητα μιας σχετικά νέας φασματοσκοπικής τεχνικής, της φωτοακουστικής φασματοσκοπίας υπερύθρου μετασχηματισμού κατά Fourier (FTIR-PAS), για τον χαρακτηρισμό της χημικής σύνθεσης και την πρόβλεψη της χρησιμότητας των οργανικών αποβλήτων. Η αρχή λειτουργίας της FTIR-PAS επιτρέπει την απόκτηση λεπτομερών φασμάτων πολύ σκοτεινών και αδιαφανών δειγμάτων (όπως κοπριά, βιοανθράκων, χώμα κ.λπ.) χωρίς προεπεξεργασία, κάτι που δεν είναι εφικτό με τις παραδοσιακές τεχνικές FTIR φασματοσκοπίας. Έχουν γραφτεί τέσσερις εργασίες που περιγράφουν λεπτομερώς τα αποτελέσματα αυτού του έργου.Στην πρώτη εργασία, διερευνήθηκε η ικανότητα της FTIR-PAS να προβλέπει το ανοργανοποιήσιμο κλάσμα άνθρακα ενός πολύ διαφορετικού συνόλου δειγμάτων οργανικών αποβλήτων. Καταγράφηκαν τα φάσματα των δειγμάτων και εντοπίστηκαν χαρακτηριστικές κορυφές κάθε τύπου οργανικών αποβλήτων, καθώς και κορυφές/δείκτες του σταδίου αποσύνθεσής τους. Η συσχέτιση αυτών των φασμάτων με τις τιμές ανοργανοποίησης του άνθρακα (που ελήφθησαν μετά την επώαση μιγμάτων εδάφους-οργανικών αποβλήτων για 91 ημέρες) επέτρεψαν τη βαθμονόμηση ενός μοντέλου που προέβλεπε το ανοργανοποιήσιμο κλάσμα άνθρακα. Οι προβλέψεις ήταν παρόμοιες ή καλύτερες από τις προβλέψεις που έγιναν προηγουμένως χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας (NIR), με τιμές R2 του μετρούμενου έναντι του προβλεπόμενου ανοργανοποιήσιμου κλάσματος C να κυμαίνονται μεταξύ 0,70 και 0,78. Ενώσεις όπως καρβοξυλικά οξέα, καρβοξυλικά και πολυσακχαρίτες βρέθηκαν να συνδέονται θετικά με το ανοργανοποιήσιμο κλάσμα C.Η δεύτερη εργασία διερεύνησε την ικανότητα του FTIR-PAS να αναλύει την ειδογένεση του φωσφόρου των βιοαπανθράκων που παράγονται από οστεάλευρα και το στερεό κλάσμα του χωνεμένου κοπριάς. Το πλεονέκτημα της FTIR-PAS στα πολύ σκοτεινά (μαύρα) δείγματα ήταν προφανές και τα φάσματα FTIR-PAS περιείχαν περισσότερες πληροφορίες (χαρακτηριστικά) σε σύγκριση με τα εξασθενημένα φάσματα ATR-FTIR των ίδιων δειγμάτων. Η διάκριση των ειδών φωσφόρου, με βάση τις χαρακτηριστικές κορυφές των πιο κοινών φωσφορικών αλάτων που είχαν προηγουμένως καταγραφεί με το FTIR-PAS, ήταν επίσης εφικτή για βιοάνθρακες που παράγονται στους 600 oC και άνω, επειδή η παρεμβολή από οργανικά συστατικά εκτός των αρωματικών ενώσεων μειώθηκε σημαντικά. Η ειδογένεση P επηρεάστηκε σημαντικά από τη θερμοκρασία πυρόλυσης των βιοανθράκων που παράγονται από το στερεό κλάσμα των χωνεμένων προϊόντων (φωσφορικό ασβέστιο υπήρχε σε όλες τις θερμοκρασίες σε διαφορετικές μορφές, ενώ υπήρχε σχηματισμός φωσφορικών σιδήρου, στρουβίτη και βαρισίτη σε υψηλότερες θερμοκρασίες πυρόλυσης), ενώ η ειδογένεση επηρεάστηκε ελάχιστα στους βιοάνθρακες που παράγονται από οστεάλευρα, τα οποία στην πρώτη περίπτωση ήταν κυρίως φωσφορικά άλατα ασβεστίου.Η τρίτη και η τέταρτη εργασία διερεύνησαν τη χρησιμότητα των οργανικών αποβλήτων για την ανάκτηση ενέργειας. Το FTIR-PAS μπόρεσε να βαθμονομήσει ένα μοντέλο που παρείχε πολύ καλές προβλέψεις για το βιοχημικό δυναμικό μεθανίου (για παραγωγή βιοαερίου) διαφόρων ειδών φυτικής βιομάζας. Επιπλέον, ήταν δυνατό να αναπτυχθεί ένα μοντέλο για την πρόβλεψη της απελευθέρωσης σακχάρων κατά την παραγωγή βιοαιθανόλης από ένα μεγάλο σύνολο δειγμάτων (1122 δείγματα) χειμερινών ποικιλιών αχύρου σίτου. Η προγνωστική ισχύς και η ακρίβεια των μοντέλων ήταν παρόμοια ή μεγαλύτερη από τα μοντέλα που βαθμονομήθηκαν με χρήση NIR. Επιπλέον, εντοπίστηκαν οι ενώσεις που συνέβαλαν στο δυναμικό βιοαερίου και στην απελευθέρωση σακχάρων. Και στις δύο περιπτώσεις, η κρυσταλλικότητα της κυτταρίνης ήταν μείζονος σημασίας για τη δυνατότητα ανάκτησης ενέργειας, ενώ η λιγνίνη εμπόδιζε την απελευθέρωση σακχάρων και βιοαερίου.