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Thermogravimetrie Analyse der Ausgasungen aus Biomasse bei thermischen Prozessen mit der TG-GC-MS

Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Eine neue Kopplung von Thermogravimetrie und GC automatisiert die kontinuierliche oder ereignisgesteuerte Charakterisierung der Ausgasungen aus Biomassen bei thermischen Prozessen. Einzelkomponenten in Gasgemischen lassen sich so besser identifizieren.

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Abb 1: Thermowaage TG 209 F1 Iris mit beheizter Transferleitung zur JAS-Ventilbox auf dem Agilent GC-MS. (Bild: Netzsch)
Abb 1: Thermowaage TG 209 F1 Iris mit beheizter Transferleitung zur JAS-Ventilbox auf dem Agilent GC-MS. (Bild: Netzsch)

Als regenerative und weitgehend CO2-neutrale Energiequelle ist Biomasse Gegenstand intensiver Untersuchungen. Neben Verfahren zur direkten Gaserzeugung (Biogasanlagen) werden viele thermische Behandlungsschritte studiert, um aus Biomasse energiereiche Festbrennstoffe herzustellen, die dann als Beimischung zu konventionellen Brennstoffen (Kohle) oder als alleiniger Energieträger in Verbrennungsanlagen einsetzbar sind. Dazu müssen die flüchtigen Anteile thermisch ausgetrieben werden, um den gebundenen Kohlenstoff als wirksamen Energieträger zu erhalten. Für die Modellierung von thermischen Behandlungen (Verbrennung, Pyrolyse) im Labormaßstab bietet die thermische Analyse bewährte Untersuchungsmethoden: Die Thermogravimetrie (TG) dient zur genauen Erfassung der temperaturabhängigen Massenänderungen und die oft simultan angewandte Dynamische Wärmestrom-Differenzkalorimetrie (DDK, engl. DSC) erlaubt die Bestimmung von energetischen Änderungen. In traditionellen Gerätekombinationen, wie direkt gekoppelten Massenspektrometern (MS) und Infrarot-Spektrometern (FTIR), werden die aus der Biomasse entweichenden Gase kontinuierlich erfasst und analysiert oder sie werden pauschal in Adsorptionsröhrchen kondensiert, anschließend thermisch desorbiert und einer separaten Analyse zugeführt.

Biomassehauptbestandteile mit der TG-GC-MS analysieren

Die Zersetzungsprozesse der Biomassehauptbestandteile (Cellulose, Hemi-Cellulose, Lignin) sind überlagert und die direkte Kopplung von Gasanalysesystemen kann meist keine Auftrennung und Identifikation der Einzelkomponenten erreichen. Bei der Analyse von vorher in Adsorptionsröhrchen kondensierten Produkten geht andererseits der unmittelbare Zusammenhang mit der Temperatur der Gasabspaltung aus der Biomasse weitgehend verloren. Die Gaschromatographie (GC) ist eine hochauflösende Methode zur Auftrennung flüchtiger und semi-flüchtiger Verbindungen. Die Gasmischungen werden – basierend auf den Unterschieden in der Verteilung der Komponenten zwischen einer stationären Phase (z.B. innere Beschichtung einer Kapillare) und einer mobilen Phase (z.B. Helium als Spülgas) – aufgetrennt. Da diese Gastrennung in der GC-Trennsäule einige Zeit in Anspruch nimmt – die Dauer ist abhängig von den Probeneigenschaften, der Gasflussrate und Länge der Trennsäule sowie von der Art der stationären und mobilen Phasen – ist eine direkte Kopplung von GC-MS an die TG mit kontinuierlichem Gasfluss nicht möglich.

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Der neue Lösungsweg ist dennoch eine direkte Kopplung von TG/STA mit einem GC-MS (s. Abb. 1), wobei in einer quasi-kontinuierlichem Arbeitsweise eine softwaregesteuerte Gasprobennahme (Probenschleife in beheiztem Ventilblock) und Injektion des Gases, auch in kurzen Zeitintervallen, verwirklicht ist. Die Massenspektrometrie wird als Detektions-System am Auslass der GC-Trennsäule eingesetzt und zeichnet die Zeitverteilung der getrennten Gaskomponenten im Spülgasfluss auf. Aufgrund dieser Vortrennung der Gase durch den GC und die hohe Empfindlichkeit und Auflösung des MS lassen sich Strukturinformationen gewinnen, die eine zuverlässige Identifizierung der meisten abgespaltenen Gaskomponenten erlauben.

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