稻稈與生質纖維基本特性

針對稻稈與生質纖維進行熱值分析、近似分析、纖維分析、TGA 熱種分析 與元素分析等基本性質分析，先行了解原料特性，以利後續焙燒條件選擇，並可 與生質炭性質做比較。生質纖維為一般廢棄物經 155 °C 蒸煮 45 min，以振動篩 分選後烘乾造粒而成。

4.1-1 基本性質分析

表 4.1 為稻稈與生質纖維原料的熱值分析、近似分析、纖維分析與元素分析 結果，由表可知選用的生質物粒徑約在 6 mm 左右，而稻稈顆粒長度較生質纖維 短，兩者照片如圖 4.1 所示；熱值方面兩者相當皆略低於 4000 kcal/kg，唯稻稈 熱值略高於生質纖維，這可能是由於兩者 C 與 H 元素含量相近，但稻稈可燃分 與固定碳皆高於生質纖維所致。

纖維分析包含了非纖維、半纖維素、酸可溶物質、酸不可溶物質與灰分F， 其中酸可溶物質於生質物內多為纖維素、酸不可溶物質多為木質素，從表 4.1 纖 維分析的數據顯示由於稻稈是草本植物，因此主要成分為半纖維素與纖維素，木 質素的部分很少；而生質纖維主要為一般廢棄物中的紙類、蔬果等經蒸煮反應後 的產物，蒸煮為濕式氧化反應導致纖維水解，其中又以半纖維素最容易因水解被 破壞[Mishra et al., 1995]，而紙類與蔬果木質素含量本來就少，故造成生質纖維 以酸可溶物質(多數可能為纖維素)為主，半纖維與酸不溶物質(可能為木質素)含 量較少。

從表 4.1 元素分析方面則顯示兩者 C 與 H 元素含量相當，而稻稈的 Cl 與 N 元素含量低於生質纖維，S 元素則高於生質纖維，故未來應用上須考量排放氣體 的差異。

表 4.1 稻稈與生質纖維基本性質

Rice straw Biofiber Appearance Pellet diameter, dP (mm) 6 6.15-6.4 Pellet long, LP (mm) 0.6-0.9 11-13.65 Heating vale analyses HHMD (kcal/kg) 3978.1±15.8 3882.8±2.2

Proximate analyses Water content, MW 9.6±0.07 4.2±0 (wt.%) Combustibles^*, MC 88.7±0.21 80.9±0.68

Fixed carbons^*, MFC 16.7±0.03 12±0.07 Volatile mater ^*, MVM 72±0.25 68.9±0.75

Ash^*, MA 11.3±0.29 19.1±0.67

Fiber analyses Non-cellulose^*, MNCEF 24.8±0.26 25.6±0.9 (wt.%) Hemicellulosw ^*, MHCF 24.8±0.01 8.8±0.25 Acid soluble mater ^*, MASF 34.3±0.38 44.8±1.06 Acid insoluble mater ^*, MAIF 9.3±0.29 15.5±1.02

Ash ^*, MAF 6.8±0.08 5.4±0.29

Elemental analyses N 0.5495 1.231

(wt.%) C 38.957 38.072

H 6.0535 5.3045

O 43.327 33

S 0.794 0

Cl 0.12 0.120

Other (balance) 10.20 22.27

*Dry basis.

圖 4.1 生質物原料尺寸示意: (a)稻稈, (b)生質纖維。

(a)

(b)

4.1-2 熱重分析

圖 4.2 為稻稈與生質纖維之熱重分析(thermal gracitational analysis, TGA)，其 中 y 軸為該溫度下生質物剩餘質量除上乾重所換成的百分比(wt.%)，而乾重則是 生質物在 107 °C 持溫 30 min 後去除水分的質量，故 x 軸溫度(T)從 100 °C 開始 顯示。整體焙燒過程主要可分三個階段，第一階段為溫度低於 200 °C，根據焙燒 理論此階段生質物並未開始焙燒[Bergman et al., 2005]，因此生質物質量僅有不到 2%的輕微下降；第二階段為溫度介於 200-500 °C，在此階段生質物有明顯的質 量損失，因此溫度階段皆達到三種木質纖維素的焙燒溫度，故此為主要焙燒階段；

第三階段為溫度大於 500 °C，此階段質量損失趨於平緩，焙燒反應大致完成。

整體來說在低於 250 °C 時，半纖維素就會分解，纖維素則在 305-375 °C 左 右分解，木質素則是 250-500 °C 左右[Pimchuai et al., 2010]，三種木質纖維素主 要焙燒時間不同，故將圖 4.2 質量損失對溫度作微分可得圖 4.3 DTG (differential TGA)曲線，由 DTG 曲線則可大致判斷生質物內木質纖維素主要焙燒溫度，以及 不同生質物內木質纖維素結構對熱焙燒的差異[Chen and Wu, 2009]，圖 4.3(a)顯 示稻稈於 275、317、430 °C 分別出現了半纖維素、纖維素以及木質素的焙燒高 峰，而稻稈的半纖維與纖維素則可能同時開始裂解，所以在 DTG 曲線上半纖維 與纖維素的峰值並無明顯區隔[Bridgeman et al., 2008]。

由圖 4.3(b)則可得知生質纖維的三種木質纖維素的高峰則分別為 251、322、

439 °C，第一個焙燒高峰較稻稈早出現，顯示生質纖維熱穩定度較差，越容易隨 溫度上升而焙燒，而第二與第三個焙燒高峰皆略晚於稻稈，顯示生質纖維的纖維 素與木質素可能較稻稈穩定，不易焙燒。

由於生質纖維第一個焙燒高峰為 251 °C，而稻稈與生質纖維第二個焙燒高峰 皆在 320 °C 左右，因此選定 240-320 °C 做恆溫 TGA 模擬焙燒實驗，用以確定實 際焙燒選定溫度範圍。

圖 4.2 稻稈與生質纖維 TGA 熱解圖。RS, BF: Rice straw, biofiber.

100 300 500 700

W eigh t (w t.% )

100 200 300 400 500

De riv . w eigh t (w t.% / °C)

100 200 300 400 500

De riv . w eigh t (w t.% / °C)