Chemical and thermal characterization of wood biomass from non-native tree species in the steppe zone of Ukraine

Abstract

The growing demand for sustainable and renewable energy sources highlights the importance of exploring biomass from non-native tree species in Ukraine's steppe zone. This study aims to investigate the chemical composition and ther-mal decomposition characteristics of wood from non-native tree species (Acer negundo, Robinia pseudoacacia, Quercus rúbra, Ailanthus altissima) to evaluate their potential as biomass for energy production. Key wood parameters such as pH, buffering capacity, extractive content, and structural polymers (cellulose, hemicellulose, lignin) were analyzed, revealing significant interspecies variation linked to their biochemical traits and adaptation levels. Thermogravimetric analysis iden-tified three main stages of thermal decomposition and demonstrated differences in thermal stability and decomposition rates among species. Notably, A. negundoexhibited the highest thermal decomposition rate, while R.pseudoacaciashowed superior buffering capacity. Correlations between chemical composition and thermal degradation energy require-ments suggest that species with higher cellulose and lignin content demand greater activation energy for thermo-oxidative breakdown. These findings indicate that non-native tree species, including invasive ones, represent promising biomass sources for energy generation. Moreover, their utilization could serve as a sustainable strategy for controlling species with invasive characteristics, thereby contributing to biodiversity preservation and ecological balance in the region. Зростаючий попит на стійкі та відновлювані джерела енергії підкреслює важливість дослідження біомаси немісцевих видів дерев у степовій зоні України. Це дослідження має на меті дослідити хімічний склад та характеристики термічного розкладу деревини немісцевих видів дерев (Acer negundo, Robinia pseudoacacia, Quercus rúbra, Ailanthus altissima) для оцінки їхнього потенціалу як біомаси для виробництва енергії. Були проаналізовані ключові параметри деревини, такі як pH, буферна здатність, екстрактивний вміст та структурні полімери (целюлоза, геміцелюлоза, лігнін), що виявило значну міжвидову варіацію, пов'язану з їх біохімічними характеристиками та рівнями адаптації. Термогравіметричний аналіз виявив три основні стадії термічного розкладу та продемонстрував відмінності в термічній стабільності та швидкості розкладу між видами. Примітно, що A. negundo продемонстрував найвищу швидкість термічного розкладу, тоді як R. pseudoacacia показала вищу буферну здатність. Кореляція між хімічним складом та потребами в енергії термічного розкладу свідчить про те, що види з вищим вмістом целюлози та лігніну потребують більшої енергії активації для термоокислювального розкладу. Ці результати свідчать про те, що немісцеві види дерев, включаючи інвазивні, є перспективними джерелами біомаси для виробництва енергії. Більше того, їх використання може слугувати стійкою стратегією контролю видів з інвазивними характеристиками, тим самим сприяючи збереженню біорізноманіття та екологічному балансу в регіоні.