ORIGINAL PAPER
Toxic elements, leachability, and the results of thermal analysis of woody biomass from the environment with varying degrees of pollution
 
More details
Hide details
1
University of Silesia
 
2
Silesian University of Technology, Faculty of Mining, Safety Engineering and Industrial Automation, Gliwice, Poland
 
 
Submission date: 2024-10-11
 
 
Final revision date: 2025-03-27
 
 
Acceptance date: 2025-04-23
 
 
Publication date: 2025-06-11
 
 
Corresponding author
Joanna Adamczyk   

University of Silesia
 
 
Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 2025;41(2):121-142
 
KEYWORDS
TOPICS
ABSTRACT
Experimental studies were conducted in laboratory conditions to assess the suitability of alder and birch for use in individual home furnaces and the potential storage of ashes in the environment. Raw biomass samples were combusted at 450–500 ± 15°C. The tree species (alder and birch) originated from Poland (Małopolskie Voivodeship) and the “Bory Tucholskie” National Park (Pomorskie Voivodeship). This study aimed to determine the content of toxic metals (As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Tl) in raw biomass and its ashes, ions eluted from water eluates of ash, and to analyze the thermal degradation process of wood. In addition to the analysis, the study used inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES) and ion chromatography (IC), thermogravimetric analysis analyses (TG/DSC), and powder X-ray diffraction. The content of volatile parts in wood biomass ranges between 67.2–82.5%, ash content 2.9–19.1%, and calorific value 14.8–17.1 MJ/kg. Moisture content in the wood biomass ranges from 14.6–18.7% (birch) and 17–19.2% (alder). The content of toxic metals was generally low in raw biomass, except for Co, Zn, and Ni, and higher in ashes, varying depending on the origin of the biomass. TG/DSC curves allowed for the identification of the main stages of wood biomass degradation, corresponding to moisture content in the range of 2.73–5.83% (wt.%), ash (0.58–3.68% wt.%), volatile matter (59.63–76.46% wt.%), and fixed carbon (20.23–32.3% wt.%). Higher sulfate and potassium ion concentrations were detected in water eluates of ashes from the “Bory Tucholskie” National Park. The research results do not indicate that alder and birch may be used for low-temperature combustion. However, it is advisable to conduct comprehensive studies research in this area.
ACKNOWLEDGEMENTS
The authors would like to thank Mr. Janusz Kochanowski, Director of the “Bory Tucholskie” National Park, for providing samples for research.
CONFLICT OF INTEREST
The Authors have no conflict of interest to declare.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Pierwiastki toksyczne, wymywalność i wyniki analizy termicznej biomasy drzewnej ze środowiska o różnym stopniu jego zanieczyszczenia
biomasa, popiół, wymywalność, pierwiastki toksyczne, analiza termiczna
Przeprowadzono badania eksperymentalne w warunkach laboratoryjnych w celu oceny przydatności olchy i brzozy do wykorzystania w indywidualnych piecach domowych oraz potencjalnego wykorzystania i składowania popiołów w środowisku. Próbki biomasy surowej spalano w temperaturze 450–500 ± 15°C. Gatunki drzew pochodzą z Polski (województwo małopolskie) oraz z Parku Narodowego „Bory Tucholskie” (województwo pomorskie). Celem niniejszego badania było określenie zawartości metali toksycznych (As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Tl) w biomasie surowej i jej popiołach, wymywanych jonów z eluatów wodnych popiołów i analiza procesu termicznej degradacji drewna. W badaniach wykorzystano metodę spektroskopii emisyjnej ze wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej (ICP-OES) i chromatografię jonową (IC), wykonano analizy termograwimetryczne (TG/DSC) oraz dyfrakcję rentgenowską metodą proszkową (XRD). Zawartość części lotnych w biomasie drzewnej waha się między 67,2–82,5%, zawartość popiołu 2,9–19,1%, a wartość kaloryczna wynosi 14,8–17,1 MJ/kg. Zawartość wilgoci w biomasie drzewnej waha się między 14,6–18,7% (brzoza) i 17–19,2% (olcha). Skład mineralny badanych próbek jest mało zróżnicowany. Zawartość metali toksycznych jest na ogół niska w biomasie surowej, z wyjątkiem miedzi, cynku i niklu, oraz wyższa w popiołach, zróżnicowana w zależności od pochodzenia biomasy. Krzywe TG/DSC pozwoliły zidentyfikować główne etapy degradacji biomasy drzewnej, które odpowiadają zawartości wilgoci w zakresie 2,73–5,83% (wag.), popiołu 0,58–3,68% (wag.), materiałów lotnych 59,63–76,46% (wag.) oraz węgla stałego 20,23–32,3% (wag.). Wyższe stężenia jonów siarczanowych i potasowych oznaczono w eluatach wodnych popiołów z Parku Narodowego „Bory Tucholskie”. Wyniki badań Niejednoznacznie wskazują, że olcha i brzoza mogą być wykorzystane w spalaniu niskotemperaturowym; jednak wskazane jest prowadzenie kompleksowych badań w tym zakresie.
REFERENCES (60)
1.
Alves et al. 2019 – Alves, C.A., Font, O., Moreno, N., Vincente, E.D., Duarte, M., Tarelho, L.A.C. and Querol, X. 2019. Mineralogical, chemical and leaching characteristics of ashes from residential biomass combustion. Environmental Science and Pollution Research 26, pp. 22688–22703, DOI: 10.1007/s11356-019-05231-w.
 
2.
Bari et al. 2010 – Bari, M.A., Baumbach, G., Kuch, B. and Scheffknecht, G. 2010. Particle-phase concentrations of polycyclic aromatic hydrocarbons in ambient air of rural residential areas in southern Germany. Air Quality, Atmosphere & Health 3, pp. 103–116, DOI: 10.1007/s11869-009-0057-8.
 
3.
Brebu et al. 2013 – Brebu, M., Tamminen, T. and Spiridon, I. 2013. Thermal degradation of various lignins by TG-MS/FTIR and Py-GC-MS. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 104, pp. 531–539, DOI: 10.1016/j.jaap.2013.05.016.
 
4.
Burlhenne et al. 2013 – Burlhenne, L., Messmer, J., Aicher, T. and Laborie, M.P. 2013. The effect of the biomass components lignin, cellulose and hemicellulose on TGA and fixed bed pyrolysis. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 101(1), pp. 177–184, DOI: 10.1016/j.jaap.2013.01.012.
 
5.
Chen et al. 2014 – Chen, Q., Yang, R., Zhao, B., Li, Y., Wang, S., Wu, H. and Chen, C., 2014. Investigation of heat of biomass pyrolysis and secondary reactions by simultaneous thermogravimetry and differential scanning calorimetry. Fuel 134, pp. 467–476, DOI: 10.1016/j.fuel.2014.05.092.
 
6.
Chowdhury et al. 2015 – Chowdhury, S., Mishra, M., Suganya, O. 2015. The incorporation of wood waste ash as a partial cement replacement material for making structural gradeAn overview. Ain Shams Engineering Journal, 6(2), DOI: 10.1016/j.asej.2014.11.005.
 
7.
Corma et al. 2007 – Corma, A., Iborra, S. and Velty, A. 2007. Chemical routes for the transformation of biomass into chemicals. Chemical Reviews 107(6), pp. 2411–2502, DOI: 10.1021/cr050989d.
 
8.
Cruz et al. 2017 – Cruz, N.C., Rodrigues, S.M., Carvalho, L., Duarte, A.C., Pereira, E., Römkens, P.F.A.M. and Tarelho, L.A.C. 2017. Ashes from fluidized bed combustion of residual forest biomass: recycling to soil as a viable management option. Environmental Science and Pollution Research 24, pp. 14770–14778, DOI: 10.1007/s11356-017-9013-6.
 
9.
Cruz et al. 2020 – Cruz, G., Da Luz Pereira Rodrigues, A., Silva, D. and Gomes, W.C. 2020. Physical-chemical characterization and thermal behavior of cassava harvest waste for application in thermochemical processes. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 140(2), pp. 3611–3622, DOI: 10.1007/s10973-020-09330-6.
 
10.
Dahlin et al. 2016 – Dahlin, A.S., Eriksson, J., Campel, C.D. and Öborn, J. 2016. Soil amendment affects Cd uptake by wheat – are we underestimating the risk from chloride inputs? Science of the Total Environment 554–555, pp. 349–357, DOI: 10.1016/j.scitotenv.2016.02.049.
 
11.
Demeyer et al. 2001 – Demeyer, A., Voundi Nkana J.C. and Verloo M.G. 2001. Characteristics of wood ash and influence on soil properties and nutrient uptake: an overview. Bioresource Technology 77(3), pp. 287–295, DOI: 10.1016/S0960-8524(00)00043-2.
 
12.
EN-ISO18122:2023-01. 2023. ISO (International Organization of Standardization). Solid Biofuels. Determination of Ash Content. ICS 75.160.40.
 
13.
EU Official Journal 2023. Official Journal of the EU, 2023. Directive (EU) 2023/1791 of the European Parliament and of the Council of 13 September 2023 on energy and Regulation (EU) 2023/955 (recast). L, 231/1 (Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2023/1791 z dnia 13 września 2023 r. w sprawie efektywności energetycznej oraz zmieniająca rozporządzenie (UE) 2023/955 (wersja przekształcona). L, 231/1) (in Polish).
 
14.
EUROSTAT (European Union), accessed 26 November 2023. Energy consumption in households. [Online:] https://ec.europa.eu/eurostat.
 
15.
EUROSTAT and UNECE. Joint Forest Sector Questionnaire Definitions. 2021, United Nations Economic Commission for Europe. [Online:] https://unece.org/sites/defaul... [Accessed: 2025-02-04].
 
16.
EUROSTAT [Online:] https://unece.org/sites/defaul... [Accessed: 2025-02-04].
 
17.
EUROSTAT (European Union), accessed 26 November 2023. Wood as a source of energy. [Online:] https://ec.europa.eu/eurostat.
 
18.
GUS – Główny Urząd Statystyczny 2021. Energy consumption in households in 2021. Statistic Poland (in Polish).
 
19.
Jagustyn et al. 2011 – Jagustyn, B., Bątorek-Giesa, N. and Wilk, B. 2011. Assessment of the properties of biomass used for energy purposes (Ocena właściwości biomasy wykorzystywanej do celów energetycznych). CHEMIK 65(6), pp. 557–563 (in Polish).
 
20.
Jaworek et al. 2013 – Jaworek, A., Czech, T., Sobczyk, A.T. and Krupa, A. 2013. Properties of biomass vs. coal fly ashes deposited in electrostatic precipitator. Journal of Electrostatics 71(2), pp. 165–175, DOI: 10.1016/j.elstat.2013.01.009.
 
21.
Kabata-Pendias, A. and Szteke, B. 2012. Trace elements in the geo and biosphere (Pierwiastki śladowe w geo i biosferze). Puławy: IUNG-PIB (in Polish).
 
22.
Kubica et al. 2022 – Kubica, R., Szubel, M., Goryl, W, Mirowski, T. and Filipowicz, M. 2022. Field testing of environmental performance of advanced local space heaters in reference to the EIG EMEP emission factors. Sustainable Energy Technologies and Assessments 53, Part C, DOI: 10.1016/j.seta.2022.102737.
 
23.
Kufka, D. and Pleśniak, Ł. 2017. Energetic utilization of the fermented wastes and lignite (Zagospodarowanie energetyczne odpadów fermentacyjnych oraz węgla brunatnego). Górnictwo Odkrywkowe 58(1), pp. 45–52 (in Polish).
 
24.
Lhotka et al. 2019 – Lhotka, R., Pokorná, P. and Ziková, N. 2019. Long-term trends in PAH concentrations and sources at rural background site in Central Europe. Atmosphere 10, DOI: 10.3390/atmos10110687.
 
25.
Li et al. 2012 – Li, L., Yu, C., Bai, J., Wang, Q. and Luo, Z. 2012. Heavy metal characterization of circulating fluidized bed derived biomass ash. Journal of Hazardous Materials 233–234, pp. 41–47, DOI: 10.1016/j.jhazmat.2012.06.053.
 
26.
Long et al. 2015 – Long, Y., Ruan, L., Lv, X., Su, J., Lv, Y., Su, Y. and Wen, Y. 2015. TG-FTIR analysis of pyrolusite reduction by major biomass components. Chinese Journal of Chemical Engineering 23, pp. 1691–1697, DOI: 10.1016/j.cjche.2015.08.028.
 
27.
Madruga et al. 2019 – Madruga, D.G., Úbeda, R.M., Terroba, J.M., Dos Santos, S.G. and Garcia-Canbero, J. 2019. Particle associated polycyclic aromatic hydrocarbons in a representative urban location (indoor-outdoor) from South Europe: Assessment of potential sources and cancer risk to humans. Indoor Air 29, pp. 817–827, DOI: 10.1111/ina.12581.
 
28.
Maj, I. 2024 Management of fly ash from biomass combustion. Rynek Energii 1(170), pp. 75–81.
 
29.
Makowska et al. 2018 – Makowska, M., Sowińska, A. and Spychała, M. 2018. Fractionation of organic compounds in wastewater from municipal sewage system – comparison of methods (Frakcje ChZT w ściekach komunalnych – porównanie metod wyznaczania). Zeszyty Naukowe Uniwersytetu Zielonogórskiego 171(51), pp. 25–39, DOI: 10.5604/01.3001.0012.8354 (in Polish).
 
30.
Michalik et al. 2013 – Michalik, M., Pogrzeba, M. and Wilczyńska-Michalik, W. 2013. Biomass combustion – a possible source of environmental pollution? Goldschmidt 2013 Conference Abstracts, Mineralogical Magazine 77(5), p. 1753.
 
31.
Nahlik et al. 2019 – Nahlik, A.M., Blocksom, K.A., Herlihy, A.T., Kentula, M.E., Magee, T.K. and Paulsen, S.G. 2019. Use of national-scale data to examine human-mediated additions of heavy metals to wetland soils of the US. Environmental Monitoring and Assessment 191(S1), DOI: 10.1007/s10661-019-7315-5.
 
32.
Naik et al. 2002 – Naik, T.R., Kraus, R.N., Siddique, R. 2002. Demonstration of manufacturing technology for concrete and CLSM utilizing wood ash from Wisconsin, Wisconsin Department of Natural Resources (Madison, WI) for project #1-06 UWM report no. CBU-2002-30, Center for By-products Utilization, Department of Civil Engineering and Mechanics, University of Wisconsin-Milwaukee.
 
33.
Pastircakova, K. 2004. Determination of trace metal concentrations in ashes from various biomass materials. Energy, Education, Science and Technology 13(2), pp. 97–104. [Online:] https://www.researchgate.net/p....
 
34.
PN ISO 14911, 2001. Water quality – Determination of Li+, Na+, NH4+, K+, Mn2+, Ca2+, Mg2+, Sr2+ and B a2+ by ion chromatography – Method for water and wastewater. ICS 13.060.50 (Jakość wody – Oznaczanie Li+, Na+, NH4+, K+, Mn2+, Ca2+, Mg2+, Sr2+ i Ba2+ za pomocą chromatografii jonowej – Metoda dla wód i ścieków. ICS 13.060.50) (in Polish).
 
35.
PN-ISO 8288, 2002. Water quality – Determination of cobalt, nickel, copper, zinc, cadmium and lead – Atomic absorption spectrometry methods with flame atomization (Jakość wody – Oznaczanie kobaltu, niklu, miedzi, cynku, kadmu i ołowiu – Metody atomowej spektrometrii absorpcyjnej z atomizacją w płomieniu) (in Polish).
 
36.
PN-EN 12457-1, 2006 – Characterisation of waste. Leaching. Compliance testing for the leaching of granular waste materials and sludges. Part 1: One-stage batch test at a liquid to solid ratio of 2 l/kg for materials with a high solid content and a particle size below 4 mm (with or without size reduction) (Charakteryzowanie odpadów. Wymywanie. Badanie zgodności w odniesieniu do wymywania ziarnistych materiałów odpadowych i osadów. Część 1: Jednostopniowe badanie porcjoweprzy stosunku cieczy do fazy stałej 2 l/kg w przypadku materiałów o wysokiej zawartości fazy stałej i wielkości cząstek poniżej 4 mm (bez redukcji lub z redukcją wielkości)). ISO 18122:2022 Solid biofuels – Determination of ash content (in Polish).
 
37.
PN-EN ISO 10304-1, 2009. Water quality – Determination of dissolved anions by ion chromatography – Part 1: Determination of bromides, chlorides, fluorides, nitrates, nitrites, phosphates and sulphates. ICS 13.060.50 (Jakość wody – Oznaczanie rozpuszczonych anionów za pomocą chromatografii jonowej – Część 1: Oznaczanie bromków, chlorków, fluorków, azotanów, azotynów, fosforanów i siarczanów. ICS 13.060.50) (in Polish).
 
38.
PN-EN ISO 18123:2016-01, 2016. Solid biofuels – Determination of volatile matter content.
 
39.
PN-EN ISO 18125:2017-07, 2017. Solid biofuels – Determination of calorific value.
 
40.
PN-EN ISO 18134-2:2017-03, 2017. Solid biofuels – Determination of moisture content – Dryer method. Part 2: Total moisture – Simplified method.
 
41.
Rakshit et al. 2018 – Rakshit, A., Sarkar, B. and Abhilash, P. 2018. Soil amendments for sustainability: Challenges and perspectives. CRC Press.
 
42.
Regulation of the Ministry of Maritime Economy and Inland Navigation 2019. Regulation of the Minister of Maritime Economy and Inland Navigation of 12 July 2019 on substances particularly harmful to the aquatic environment and the conditions that must be met when introducing sewage into water or soil, as well as when discharging rainwater or meltwater into water or water facilities (Rozporządzenie Ministra Gospodarki Morskiej i Żeglugi Śródlądowej z dnia 12 lipca 2019 r. w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego oraz warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu do wód lub do ziemi ścieków, a także przy odprowadzaniu wód opadowych lub roztopowych do wód lub do urządzeń wodnych (Dz.U. 2019 poz. 1311)) (in Polish).
 
43.
Regulation of the Ministry of the Environment 2014. Regulation of the Minister of the Environment of 18 November 2014 on the conditions that must be met when introducing sewage into water or soil, and on substances particularly harmful to the aquatic environment (Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 18 listopada 2014 r. w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego (Dz.U. 2014 poz. 1800)) (in Polish).
 
44.
Smith, A.L. 1979. Applied infrared spectroscopy: Fundamentals, techniques and analytical problem-solving (Series Chemical Analysis 54). New York: John Wiley & Sons.
 
45.
Smołka-Danielowska, D. and Jabłońska, M. 2022. Chemical and mineral composition of ashes from wood biomass combustion in domestic wood fired furnaces. International Journal of Environmental Science and Technology 19, pp. 5359–5372, DOI: 10.1007/s13762-021-03506-9.
 
46.
Szechyńska-Hebda, M. and Hebda, M. 2011. Thermal analysis in studies of biological materials (Analiza termiczna w badaniach materiałów biologicznych). Czasopismo Techniczne – Technical Transactions 6(108), pp. 227–234 (in Polish).
 
47.
Szechyńska-Hebda, M. and Hebda, M. 2015. Coupled thermal analysis methods in the study of plant-based materials (Sprzężone metody analizy termicznej w badaniach materiałów pochodzenia roślinnego). LAB Laboratoria, Aparatura Badania 20(1), pp. 6–13 (in Polish).
 
48.
Tarelho et al. 2015 – Tarelho, L.A.C., Teixeira, E.R., Silva, D.F.R., Modolo, R.C.E., Labrincha, J.A. and Rocha, F.J.F.T. 2015. Characteristic of distinct ash flows in a biomass thermal power plant with bubbling fluidised bed combustor. Energy 90, pp. 387–402, DOI: 10.1016/j.energy.2015.07.036.
 
49.
Tillman et al. 1981 – Tillman, D.A., Rossi, A.J. and Kitto, W.D. 1981. Wood Combustion Principles, Processes and Economics. New York: Academic Press.
 
50.
Uliasz-Bocheńczyk et al. 2015 – Uliasz-Bocheńczyk, A., Pawluk, A. and Sierka, J. 2015. Leaching of pollutants from fly ash from the combustion of biomass (Wymywalność zanieczyszczeń z popiołów lotnych ze spalania biomasy). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 31(3), pp. 145–156, DOI: 10.1515/gospo-2015-0032 (in Polish).
 
51.
Vassilev et al. 2010 – Vassilev, S.V., Baxter, D., Andersen, L. and Vassileva, C.G. 2010. An overview of the chemical composition of biomass. Fuel 89, pp. 913–933, DOI: 10.1016/j.fuel.2009.10.022.
 
52.
Vassilev et al. 2013 – Vassilev, S.V., Baxter, D., Andersen, L.K. and Vassileva, C.G. 2013. An overview of the composition and application of biomass ash. Part 1: Phase–mineral and chemical composition and classification. Fuel 105, pp. 40–76, DOI: 10.1016/j.fuel.2012.09.041.
 
53.
Vassilev et al. 2014 – Vassilev, S.V., Baxter, D. and Vassileva, C.G. 2014. An overview of the behaviour of biomass during combustion: Part II. Ash fusion and ash formation mechanisms of biomass types. Fuel 117, pp. 152–183, DOI: 10.1016/j.fuel.2013.09.024.
 
54.
Venkata Mohan et al. 1996 – Venkata Mohan, S., Nithila, P. and Jayarama Reddy, S. 1996. Estimation of heavy metals in drinking water and development of heavy metal pollution index. Journal of Environmental Science and Health. Part A, Environmental Science and Engineering and Toxicology 31(2), pp. 283–289, DOI: 10.1080/10934529609376357.
 
55.
Werle, S. 2021. Thermal processing of waste biomass as an element of the circular economy assumptions (Termiczne przetwarzanie biomasy odpadowej jako element gospodarki obiegu zamkniętego). Gliwice: Wyd. PŚl. (in Polish).
 
56.
Wieruszewski et al. 2022a – Wieruszewski, M., Górna, A., Mydlarz, K. and Adamowicz, K. 2022. Wood biomass resources in Poland depending on forest structure and industrial processing of wood raw material. Energies 15, DOI: 10.3390/en1513489.
 
57.
Wieruszewski et al. 2022b – Wieruszewski, M., Górna, A., Stanula, Z. and Adamowicz, K. 2022. Energy use of woody biomass in Poland: Its resources and harvesting form. Energies 15, DOI: 10.3390/en15186812.
 
58.
Wilczyńska-Michalik et al. 2018 – Wilczyńska-Michalik, W., Gasek, R., Michalik, M., Dańko, J. and Plaskota, T. 2018. Mineralogy, chemical composition and leachability of ash from biomass combustion and biomass–coal co-combustion. Mineralogia 49(1–4), pp. 67–97, DOI: 10.2478/mipo-2018-0008.
 
59.
Yang et al. 2013 – Yang, K.D., Ye, X.J., Su, J., Su, H.F., Long, Y.E., Lv, X.Y. and Wen, Y.X. 2013. Response surface optimization of process parameters for reduction roasting of low-grade pyrolusite by bagasse. Transactions of Nonferrous Metals Society of China 23(2), pp. 548–555, DOI: 10.1016/S1003-6326(13)62498-X.
 
60.
Zając et al. 2019 – Zając, G., Szyszlak-Bargłowicz, J. and Szczepanik, M. 2019. Influence of biomass incineration temperature on the content of selected heavy metals in the ash used for fertilizing purposes. Applied Sciences 9, DOI: 10.3390/app9091790.
 
eISSN:2299-2324
ISSN:0860-0953
Journals System - logo
Scroll to top