Als een hernieuwbare hulpbron, biomassa is een aantrekkelijk alternatief voor fossiele brandstoffen voor de productie van energie. brandende planten, echter, is geen volledig schoon proces; het produceert emissies die variëren afhankelijk van de gebruikte soort, de verbrandingsomstandigheden, en de controles op luchtverontreiniging.

Om een ​​onderdeel van deze emissies te begrijpen, een internationaal, multidisciplinair team onder leiding van mineralogen van de Universiteit van Pennsylvania gebruikten zeer gevoelige microscopie om fytolieten te bestuderen, kleine afzettingen van mineralen die silicium of calcium bevatten in bepaalde planten. Deze chemische elementen worden samen met andere voedingsstoffen uit de bodem opgenomen. De fytolieten verlenen planten kracht en structuur en komen veel voor in sommige plantenfamilies die gewoonlijk worden gebruikt voor biobrandstof, zoals grassen.

Melden in Industriële gewassen en producten , de onderzoekers ontdekten dat fytolieten achterblijven nadat planten zijn verbrand in een verbrandingsinstallatie voor biobrandstoffen, maar in deeltjesgroottes die groot genoeg zijn dat ze waarschijnlijk geen gezondheidsrisico vormen. Maar omdat fytolieten de efficiëntie van energieconversie kunnen verminderen, elektriciteitscentrales moeten deze meenemen in hun activiteiten, merkt het team op. Anderzijds, de fytolithische as die vrijkomt bij verbranding zou kunnen worden verkocht voor gebruik in de cementproductie of als meststof.

"Dit is een interessant onderwerp omdat het verbranden van biomassa veel voordelen kan hebben, maar ook enkele onbedoelde gevolgen, " zegt Reto Gieré, een milieuwetenschapper bij Penn en senior auteur van het onderzoek. "We moeten aan dergelijke consequenties denken als we deze methoden op grote schaal willen toepassen."

Bekend als het skelet van planten, fytolieten worden meestal bestudeerd op het gebied van archeologie; bewaarde fytolieten van oude planten vertellen paleobotanici over prehistorische ecosystemen en landbouwgewassen. Maar deze residuen blijken nu interessant te zijn voor ingenieurs, geologen, en chemici die de rol van fytolieten bestuderen tijdens de verbranding van biomassa en hun mogelijke milieueffecten.

Gieré en Ruggero Vigliaturo, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Gieré met expertise in elektronenmicroscopie en de eerste auteur van het onderzoek, samengewerkt met ingenieurs, chemici, en milieuwetenschappers in Frankrijk, Duitsland, en de Verenigde Staten om de fytolieten die aanwezig zijn in een snelgroeiende plantensoort die vaak wordt gebruikt in biobrandstofoperaties, nauwkeurig te onderzoeken: Miscanthus sinensis , of Chinees zilvergras.

De wetenschappers haalden fytolieten uit monsters van gedroogd gras en uit het materiaal dat was verzameld in de cycloon van een biomassacentrale, een apparaat voor de bestrijding van luchtverontreiniging. Met behulp van zowel optische als scanning elektronenmicroscopie, de onderzoekers observeerden fytolieten in de grondstof en in de vliegas die werd verzameld uit de cycloon van de energiecentrale. Fluorescentie optische microscopie was bijzonder goed geschikt om de structuur van de fytolieten te onderscheiden, ze vonden.

Chemische analyses onthulden dat de fytolieten van Miscanthus voornamelijk bestonden uit silica, die, bij inademing, is in verband gebracht met ademhalingsproblemen.

"Echter, de fytolieten zelf zijn eigenlijk vrij groot, " zegt Giere, "en te groot om diep in onze longen te gaan."

Omdat fytolieten zelf niet verbranden in energiecentrales, ze verminderen de algehele efficiëntie van de operaties en kunnen de rookgaskanalen verstoppen met fijnstof, merken de onderzoekers op.

Toch zijn fytolieten niet allemaal slecht. Ze leveren de benodigde mineralen aan planten, en zo kan de as die overblijft bij de verbranding van biomassa als meststof worden gebruikt. En net zoals steenkoolas wordt gebruikt als bindmiddel bij de cementproductie, de fytoliethoudende as zou ook een tweede toepassing kunnen vinden in die industrie, dat berucht is om zijn bijdrage aan de wereldwijde koolstofemissies. Het gebruik van biomassa-as zou de koolstofvoetafdruk van de cementproductie verlagen.

In aanvulling, Miscanthus sinensis blijkt tijdens de groei opmerkelijke hoeveelheden zink en cadmium op te nemen, vonden de onderzoekers. Indien geplant op land dat verontreinigd is met deze metalen, het gewas zou het land kunnen saneren.

"Dan konden we het gewas oogsten, verbrand het voor energie, en als we het juiste mechanisme vinden, het zink en het cadmium uit de as terugwinnen, die vervolgens kan worden gebruikt als secundaire grondstof in de cementindustrie, ' zegt Giere.

Als volgende stap, de onderzoekers hopen met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie nog fijnere gegevens te krijgen over de samenstelling en structuur van fytolieten in een bepaald asmonster, informatie die biomassacentrales zou kunnen helpen om hun apparaten voor de beheersing van luchtverontreiniging en brandstofinput dienovereenkomstig aan te passen.

En omdat elke plantensoort een ander fytolietprofiel heeft, elk moet onafhankelijk worden bestudeerd. De onderzoekers beginnen aan een onderzoek naar rijstfytolieten, aangezien de rijststengels die na de oogst achterblijven een waardevolle bron van biobrandstof kunnen zijn.

"Momenteel wordt het meeste rijststro op het veld verbrand, " zegt Gieré. "Gecontroleerde verbranding van rijststro, echter, is een potentieel gebruik voor wat nu een afvalproduct is. Het zou ook een enorm probleem in Zuidoost-Azië elimineren, omdat de nevels van de ongecontroleerde branden in rijstvelden resulteren in een enorme vervuiling die een grote impact heeft op miljoenen mensen."