The Enhancement of Durian Peel Properties by Oxidative Torrefaction Process for Solid Fuel Production

Abstract

This study aimed to investigate the effects of oxidative torrefaction on fuel properties of torrefied products from durian peel. The experiments were conducted at temperatures ranging from 220 to 300°C, with a torrefaction duration of 30 minutes, under varying oxygen concentrations in the carrier gas (0%, 5%, 10%, 15%, and 21%). Additionally, the research compared the torrefied products from durian peel and ash-reduced durian peel by water washing, aiming to remove inorganic substances that could affect fuel characteristics and hydrophobicity of the resulting products. It revealed that increasing temperature and oxygen concentration accelerated the decomposition of organic components in the durian peel, as indicated by decreased mass yield and increased carbon content. Particularly at 300 °C with 21 % oxygen, the carbon content increased as high as to 78.82 % and had the higher heating value (HHV) of 35.21 MJ/kg. Elemental analysis and Van Krevelen diagrams confirmed that the oxidative torrefaction improved fuel properties through dehydration and decarboxylation reactions, which reduced the H/C and O/C ratios of the products. Analysis of hydrophobicity using contact angle measurements and equilibrium moisture content (EMC) at 55% relative humidity showed that hydrophobicity increased with higher temperature and oxygen concentration during torrefaction, notably at 260 °C and 10 % oxygen. However, hydrophobicity decreased when the temperature increased to 280 °C, evident from the reduced contact angle at oxygen concentrations starting from 5%, indicating increased hydrophilicity. FTIR and XPS analyses showed increased hydroxyl and carboxylic functional groups at elevated oxygen concentrations, particularly at 280 °C with 10 % oxygen. The increase in carboxylic groups might be responsible for the observed reduction in hydrophobicity. However, at 300°C, under all tested oxygen concentrations, products displayed reduced hydrophobicity, aligning with behaviors typically observed in biochar. Pre-torrefaction water leaching at 300 °C across all oxygen levels effectively decreased ash content by 4–5 times, reducing hygroscopic inorganic elements (such as K, Ca, Mg, and Na). This resulted in lower equilibrium moisture content and higher contact angles, indicating improved hydrophobic properties. In conclusion, temperature control, oxygen concentration, and water leaching prior to oxidative torrefaction significantly influenced the fuel characteristics of the durian peel-derived products, efficiently enhancing their suitability as biomass fuel.

งานวิจัยนี้มุ่งศึกษาผลของกระบวนการออกซิเดทีฟทอร์รีแฟกชันและความเป็นเชื้อเพลิงของผลิตภัณฑ์ทอร์รีไฟด์จากเปลือกทุเรียน โดยศึกษาอุณหภูมิในช่วง 220 – 300 ˚C ระยะเวลาในการทอร์รีแฟกชัน คือ 30 นาที ความเข้มข้นของออกซิเจนในแก๊สตัวกลาง คือ 0%, 5%, 10%, 15% และ 21% นอกจากนี้ยังเปรียบเทียบระหว่างทอร์รีไฟด์เปลือกทุเรียนที่ผ่านการล้างด้วยน้ำและ ไม่ล้างเพื่อกำจัดสารอนินทรีย์ที่อาจส่งผลต่อสมบัติเชื้อเพลิงและความชอบน้ำของผลิตภัณฑ์ ทอร์รีไฟด์ จากผลการทดลองพบว่า การเพิ่มอุณหภูมิและออกซิเจนในแก๊สตัวกลางช่วยเร่งการสลายตัวขององค์ประกอบอินทรีย์ในเปลือกทุเรียน เนื่องจากร้อยละผลได้เชิงมวลที่ลดลง ในขณะที่ร้อยละคาร์บอนเพิ่มขึ้น โดยเฉพาะที่อุณหภูมิ 300 oC และความเข้มข้นออกซิเจน 21% ซึ่งผลิตภัณฑ์มีเปอร์เซ็นต์คาร์บอนสูงถึง 78.82 และค่าความร้อนสูงสุด 35.21 MJ/kg การวิเคราะห์องค์ประกอบของธาตุและแผนภาพ Van Krevelen ยืนยันว่ากระบวนการดังกล่าวส่งผลให้ค่าความเป็นเชื้อเพลิงดีขึ้นผ่านปฏิกิริยา dehydration และ decarboxylation ซึ่งลดค่า H/C และ O/C ของผลิตภัณฑ์ลง เมื่อวิเคราะห์ความไม่ชอบน้ำด้วยเทคนิคมุมสัมผัส (Contract angle) และความชื้นสมดุล (EMC) ที่ 55% ของผลิตภัณฑ์พบว่า ความไม่ชอบน้ำจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิและความเข้มข้นออกซิเจนในแก๊สตัวกลางในการทอรีไฟด์มากขึ้น โดยเฉพาะที่อุณหภูมิ 260 oC และปริมาณออกซิเจนร้อยละ 10 แต่ความไม่ชอบน้ำลดลงเมื่อเพิ่มอุณหภูมิเป็น 280 oC โดยที่มุมสัมผัสจะลดลงตั้งแต่ปริมาณออกซิเจนที่ 5% แสดงให้เห็นว่าผลิตภัณฑ์มีความชอบน้ำมากขึ้นอย่างชัดเจน ซึ่งผลการวิเคราะห์หมู่ฟังก์ชันด้วย FTIR และ XPS การเพิ่มออกซิเจนในกระบวนการมีผลทำให้หมู่ไฮดรอกซิล และคาร์บอกซิลิกเพิ่มขึ้น โดยเฉพาะที่อุณหภูมิ 280˚C และปริมาณออกซิเจน 10% ซึ่งการเพิ่มการเพิ่มขึ้นของกลุ่มคาร์บอกซิลิคอาจเป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้ผลิตภัณฑ์มีความไม่ชอบน้ำลดลง อย่างไรก็ตามที่อุณหภูมิ 300˚C ในทุกสภาวะความเข้มข้นของอากาศ แต่ผลิตภัณฑ์ก็มีความไม่ชอบน้ำลดลง ซึ่งพฤติกรรมนี้สอดคล้องกับที่พบในไบโอชาร์ ในส่วนของการล้างน้ำก่อนกระบวนการที่อุณหภูมิ 300 oC ทุกความเข้นข้นของออกซิเจน พบว่าสามารถลดปริมาณขี้เถ้าได้ถึง 4–5 เท่า ช่วยลดปริมาณธาตุหรือสารอนินทรีย์ที่มีคุณสมบัติดูดความชื้น เช่น K, Ca, Mg และ Na ทำให้ผลิตภัณฑ์มีค่าความชื้นสมดุลดลง และค่ามุมสัมผัสสูงขึ้น ซึ่งแสดงถึงสมบัติความไม่ชอบน้ำที่ดีขึ้น สรุปได้ว่า การควบคุมอุณหภูมิ ความเข้มข้นของอากาศ และการล้างน้ำก่อนกระบวนการ ออกซิเดทีฟทอร์รีแฟกชัน เป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อสมบัติความเป็นเชื้อเพลิงของผลิตภัณฑ์ สามารถยกระดับคุณภาพของเปลือกทุเรียนให้เหมาะสมต่อการเป็นเชื้อเพลิงชีวมวลได้อย่างมีประสิทธิภาพ