JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Ergebnisse
Discussion
Offenlegungen
Acknowledgements
Materials
Referenzen
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemie

Transformation des restes organiques des ménages en substitut de tourbe

Published: July 09, 2019
doi:
10.3791/59569
, , , ,
1Instituto de TecnologÍa QuÍmica (UPV-CSIC),Universitat Politècnica de València-Consejo Superior de Investigaciones CientÍficas, 2Ingelia SL

Summary

Un protocole pour la carbonisation hydrothermale des déchets alimentaires végétaux dans un autoclave est présenté, avec un traitement thermique à sec subséquent à 275 oC dans un réacteur à débit continu desorbing substances organiques volatiles. L’objectif est de produire un matériau de carbone approprié comme produit d’amendement du sol ou composant de substrat.

Abstract

Une procédure en deux étapes est décrite pour la synthèse d’un matériau carbonique avec une composition et des propriétés similaires à celle de la tourbe. L’hydrochar produit est adapté à des applications agricoles en enlevant les substances inhibitrices de culture végétale. Les déchets ménagers humides tels que les pelures de fruits, le marc de café, les parties végétales non comestibles ou les matières lignocellulosiques humides en général sont traités en présence d’eau à 215 oC et 21 bars dans un autoclave, c’est-à-dire par carbonisation hydrothermale. Tous ces restes ont une teneur en eau considérable allant jusqu’à 90 % de poids (wt%). L’ajout d’eau étend la procédure aux matériaux plus secs tels que les coquilles de noix ou même les élagages de jardin et les polymères compostables, c.-à-d., le sac en plastique pour la collecte des restes.

Habituellement, le matériau carboné qui en résulte, appelé hydrochar, produit un effet négatif sur la croissance des plantes lorsqu’il est ajouté au sol. Il est supposé que cet effet est causé par des composés phytotoxiques adsorbed. Un simple post-traitement dans une atmosphère inerte (absence d’oxygène) à 275 oC élimine ces substances. Par conséquent, l’hydrochar brut est placé sur un frit en verre d’un réacteur vertical de quartz tubulaire. Un flux de gaz azoté est appliqué dans la direction du débit descendant. Le tube est chauffé à la température désirée au moyen d’un manteau chauffant jusqu’à une heure.

Le succès du traitement thermique est facilement quantifié par la thermogravimétrie (TG), réalisée dans l’air. Une perte de poids est déterminée lorsque la température de 275 oC est atteinte, puisque la teneur volatile est desorbed. Sa quantité est réduite dans le matériau final, par rapport à l’hydrochar non traité.

Le traitement en deux étapes transforme les restes des ménages, y compris les sacs compostables utilisés pour leur collecte, en un matériau carbonique qui peut servir de promoteur de la croissance végétale et, en même temps, comme un puits de carbone pour l’atténuation du changement climatique.

Introduction

La carbonisation hydrothermale (HTC) est une technologie émergente pour la gestion des déchets de ressources humides et lignocellulosiques. Cette technologie a été redécouverte par Antonietti et Titirici et appliquée aux aiguilles de pin, aux pommes de pin, aux feuilles de chêne et aux zestes d’orange1. Ainsi, la biomasse est convertie en hydrochar, un solide carboné semblable au lignite2,3 ou tourbe4,5. Depuis lors, de nombreuses matières premières résiduelles ont traité comme les déchets agro-industriels6,7,8, la fraction organique des déchets solides municipaux (OFMSW)9, ou les boues de papeterie10. La technologie est également utilisée comme prétraitement de la biomasse pour la pyrolyse et la gazéification11. En outre, la procédure fournit des matériaux nanotechnologiques modernes à partir de ressources renouvelables homogènes telles que les sucres ou la cellulose. Ces matériaux avancés ont un potentiel pour de futures applications comme des électrodes pour les batteries rechargeables, les piles à combustible ou les supercondensateurs, le stockage de gaz, les capteurs ou la livraison de médicaments12,13.

L’hydrochar est un matériau carboné et, à ce titre, il pourrait être utilisé comme combustible solide renouvelable, surtout lorsqu’il est produit à partir de ressources hétérogènes de faible valeur avec une composition variable (saisonnière ou régionale). Cependant, la production d’hydrochar et son application au sol, au lieu de sa combustion immédiate, auront une triple contribution à l’atténuation du changement climatique. Tout d’abord, le choix de HTC comme technologie de gestion des déchets évite l’émission du méthane de gaz à effet de serre puissant lors du compostage ou de décomposition incontrôlée14,15. Deuxièmement, en évitant la combustion de l’hydrochar après une courte période de temps et en l’appliquant sur le sol, élimine le dioxyde de carbone de l’atmosphère pendant une plus longue période de temps, c’est-à-dire qu’il consiste en un véritable captage et stockage du carbone (CSC)16,17. Troisièmement, en général, les sols modifiés par l’omble chevalier sont des sols plus fertiles (sols noirs) et la croissance des plantes est augmentée. 18 ans, états-unis qui , 19 Cela réduit l’utilisation d’engrais et les émissions de dioxyde de carbone liées à leur production, en plus de préserver les ressources. De plus, la croissance supplémentaire des plantes élimine davantage de dioxyde de carbone dans l’atmosphère.

Bien qu’il soit tout à fait clair qu’il existe de nombreux arguments apparents pour l’application de l’hydrochar dans le sol, le matériau comporte un inconvénient: hydrochar brut ne se comporte pas exactement comme biochar qui est produit par la pyrolyse. Hydrochar n’augmente pas clairement la croissance de l’usine ou pire encore, souvent il provoque un effet plutôt négatif20,21,22. Par conséquent, les agriculteurs ne sont pas encouragés à l’appliquer, et encore moins à payer de l’argent pour cela. Heureusement, cet inconvénient peut être atténué ou éliminé. L’approche la plus simple est d’attendre simplement le deuxième cycle de culture22. Aussi lavages20,21,22,23 ou co-compostage24 sont des traitements réussis à cet effet. Cependant, toutes ces procédures nécessitent du temps ou produisent un flux aqueux qui ont besoin de soins supplémentaires.

Récemment, il a été démontré que l’hydrochar brut peut être soumis à un soft thermique post-traitement25. Le but de cette procédure est simplement de desorb les substances volatiles et nocives indésirables. Le flux concentré résultant de matière principalement organique peut être valorisé thermiquement in situ. En tant que tel, le bilan énergétique de l’usine HTC est améliorée et tout risque environnemental du flux latéral est évité. Les tests de germination montrent que le traitement est efficace lorsqu’il est effectué à des températures de 275 oC ou plus.

Le protocole actuel (voir la figure 1) comporte deux étapes de réaction et une méthode d’analyse directe pour l’évaluation des résultats de la réaction. Au cours de la première étape, la biomasse est convertie en hydrochar brut dans un autoclave à 215 oC et à une pression de 21 bars. Ici, les restes de ménage sont employés comme matériel de départ. Il s’agit notamment de toutes sortes de matières végétales telles que les pelures de fruits, les pierres de fruits, les parties végétales non comestibles, le marc de café, le papier de cuisine, les sacs en plastique compostables, etc. Le matériau carboné est recueilli par filtration et séché. Pour la deuxième étape, il est placé sur un frit en verre d’un réacteur tubulaire vertical appliquant le flux de gaz dans une direction de flux vers le bas. Le tube est chauffé à 275 oC pendant 1 h. Le solide qui en résulte est analysé par thermogravimétrie (TG) dans l’air. La perte matérielle jusqu’à 275 oC est quantifiée et comparée à la perte observée avec l’hydrochar non traité. Le matériau carbonique peut être caractérisé par une analyse élémentaire (C, H, N et S), la teneur en cendres et la composition des cendres (principalement Ca, Al, Si et P).

Protocol

1. Carbonisation hydrothermale des restes des ménages Calcul des quantités appropriées d’eau et de biomasse pour le mélange de réaction. Le mélange de réaction doit remplir la moitié du volume de l’autoclave. Supposons que la densité du mélange est d’environ 1 g/ml et calculez les quantités en poids. Environ 80 wt% devraient être de l’eau et le reste de la matière solide. La teneur globale en eau n’est pas cruciale et peut varier de 70 à 85 wt%. Sélectionnez la biomasse des restes de cuisine tels que les pelures de fruits ou les parties végétales non comestibles. Dans le but de calculer un solde de masse exact pour la section 1, sécher un échantillon de biomasse à 100 à 105 oC dans un four pendant 2 h ou pendant la nuit. La masse obtenue est la matière solide de la biomasse. Vous pouvez également utiliser des données documentaires (l’exactitude est réduite). Calculez la quantité de biomasse humide nécessaire pour charger l’autoclave avec 20 wt% de matière solide et la quantité d’eau qui doit être introduite avec elle. Calculez la quantité d’eau nécessaire pour atteindre la quantité d’eau désirée dans le réacteur. Chargement de l’autoclave.CAUTION: L’autoclave doit être fourni avec un disque de rupture avec une pression d’éclatement de 50 barres. Peser la biomasse et l’eau calculées à l’étape 1.1.3 et introduire les deux dans l’autoclave. Fermez l’autoclave et pressurisez-le avec de l’azote jusqu’à 20 barres. Confirmer qu’il n’y a pas de perte de pression de plus de 30 min. Cela garantit que le navire est bien fermé sans aucune fuite. Relâchez la pression et fermez à nouveau le navire. Réaction de carbonisation. Allumez l’agitation. Chauffer l’autoclave à 215 oC dans un délai de 30 min et maintenir la température pendant au moins 4 h ou toute la nuit. Surveillez la pression pendant les 2 premières h. En général, il suit la courbe de pression de vapeur de l’eau jusqu’à 21 barres. Si la pression n’augmente pas, soit le chauffage ne fonctionne pas correctement, soit le navire n’est pas fermé correctement. Si cela se produit, arrêtez la réaction et vérifiez le chauffage et l’étanchéité. Dans de rares cas, par exemple, si la biomasse est sujette à la carcaseylation, la pression maximale peut être de 5 à 10 barres plus élevée que la barre de 21 causée par la pression de vapeur à 215 oC. Si la pression dépasse 35 barres, éteignez le chauffage et interrompez la réaction. Une fois qu’il a refroidi à la température ambiante, relâchez soigneusement la pression restante et recommencez à partir de l’étape 1.3.1. Récupération de l’hydrochar brut. Lorsque l’autoclave a refroidi à température ambiante par refroidissement naturel, relâchez soigneusement toute pression résiduelle et ouvrez l’autoclave. Séparer solide et liquide par filtration sous vide avec un entonnoir Buchner. Disposer la phase liquide comme solution aqueuse parmi les déchets de laboratoire dangereux. Sécher le solide à 100 à 105 oC dans un four pendant 2 h ou toute la nuit. Calculer le bilan de masse de la première étape, c’est-à-d. la carbonisation hydrothermale (section 1). Pour cela, prendre en compte le poids sec de la biomasse et le poids sec du produit. 2. Traitement thermique de l’hydrochar brut en mode lot Peser 1 g d’hydrochar brut sec et le placer sur un frit en verre d’un réacteur tubulaire à quartz (réacteur à lots). Pour de plus grandes quantités telles que 10 à 20 g, utiliser du matériau granulé d’une taille de particules de 0,2 à 6 mm. Autrement, l’apparition de canaux préférés pourrait entraver le traitement homogène de l’échantillon. Placez le manteau chauffant du réacteur et connectez un flux d’azote descendant de 20 ml/min. Placez un petit bécher sous la sortie du réacteur pour recueillir les liquides condensés. Le refroidissement n’est pas nécessaire. Aspirez les gaz à la prise et conduisez-les à l’échappement ou placez le réacteur entier dans un capot d’échappement. Chauffer le réacteur à 275 oC avec une rampe de 10 degrés/min. Maintenir la température pendant 1 h. Une fois refroidi à la température ambiante à nouveau, débranchez le flux de gaz. Jetez le liquide recueilli dans le bécher dans les résidus organiques non halogènes. Récupérer le matériau carbonique et le peser. Calculer le solde de masse pour la section 2, c’est-à-d. le traitement thermique, à partir des masses employées et obtenues, et pour la réaction globale de la masse obtenue dans le traitement thermique et de la biomasse sèche utilisée dans l’étape de carbonisation. 3. Analyse du produit final par thermogravimétrie (TG) Écraser le produit dans un mortier et peser un échantillon de 10 mg dans un creuset de l’appareil. Placez le creuset dans l’autosampler de l’appareil TG et sélectionnez les conditions d’analyse : ajustez la température maximale à 600 oC et l’air d’utilisation comme gaz de balayage et une rampe de température de 10 degrés/min. Commencez l’analyse. Quantifier la perte de masse à 275 oC dans la courbe TG en calculant la différence entre le poids initial et celle observée à cette température (voir la figure 2). Exprimez la perte de masse en pourcentage du poids initial. Comparez les valeurs des échantillons traités et bruts. Une nette réduction est observée.

Representative Results

Le présent protocole fournit de l’hydrocharadapté aux applications agricoles en deux étapes (figure 1) : carbonisation hydrothermale, qui est suivie d’un post-traitement thermique. Dans la réaction de carbonisation, la biomasse lignocellulosique humide est transformée en un matériau carboné. Le succès de la réaction peut être déterminé par une simple inspection visuelle : l’échantillon solide doit être devenu brunâtre, et plus la couleur brune est foncée, plus la réaction de carbonisation est avancée. Le degré de carbonisation dépend de la sévérité de la réaction, qui peut être influencée par le temps de réaction; un temps de réaction plus long, par exemple du jour au lendemain, assure un résultat de réaction optimal. Un degré de carbonisation plus élevé est toujours lié à un rendement de masse plus faible. La pression pendant la réaction doit augmenter à au moins 21 barres, qui est la pression de vapeur autogène à 215 oC. Toutefois, en général, la pression augmente au-delà de cette valeur, comme le montre le tableau 1. La pression de réaction est en quelque sorte imprévisible et dépend du type de biomasse et de son état de dégradation. Il est probable que la formation de gaz permanents, comme le dioxyde de carbone, soit responsable de l’augmentation de la pression et de l’augmentation de la pression pendant la réaction (en ce qui concerne la pression de vapeur de 21 barres) demeure après refroidissement de l’autoclave (tableau1 ; diminué e par ajustement à température plus basse). L’augmentation de la pression pourrait avoir un effet négatif sur le rendement de masse du solide (la matière première est convertie en dioxyde de carbone gazeux), mais en dehors de cela, elle n’est pas préjudiciable à l’objectif global. Une limitation claire de l’augmentation de pression est la limite de sécurité de l’appareil de réaction, par exemple, la pression d’éclatement du disque de rupture. De petites fuites pourraient être la raison pour laquelle la pression de 21 barres n’est pas atteinte. Cependant, la pression devrait atteindre au moins 15 barres. Le rendement de masse de la carbonisation implique une large gamme de 30 à 90 wt%, généralement de 50 à 65 wt% (tableau 1). Le rendement de masse est généralement plus élevé pour les matériaux plus boisés à teneur plus élevée en lignine et plus faible pour les polymères de sucre pur (polyacètes) comme l’amidon. Par exemple, des rendements plus faibles sont observés pour les feuilles ou les sacs compostables. En outre, la sévérité de réaction influence le rendement de masse. Comme nous l’avons déjà mentionné, les temps de réaction prolongés réduisent le rendement de masse par rapport aux rendements obtenus par des réactions plus courtes. Si désiré, l’hydrochar brut peut être caractérisé chimiquement par l’analyse élémentaire26,27. Par conséquent, la teneur en carbone est indicative du degré de carbonisation. La biomasse lignocellulosique a une teneur en carbone (sur une base sèche et sans cendres [daf]) de 45 wt%. Cette valeur peut être augmentée à 60 ou 65 wt% par HTC. Les valeurs supérieures à 65 wt% indiquent une carbonisation déjà avancée en termes de HTC. Par exemple, les données se voient le tableau 2. La biomasse lignocellulosique peut être utilisée comme « échantillons purs » pour la carbonatation hydrothermale telle que décrite dans le protocole actuel. Cela pourrait être d’un intérêt particulier pour l’étude du comportement d’un certain type de biomasse. Cependant, dans la pratique, les mélanges de types de biomasse sont traités. Par conséquent, dans le présent protocole, un échantillon d’hydrochar provenant d’une usine pilote industrielle a été utilisé. Les caractéristiques de cet hydrochar sont résumées au tableau 3. Le post-traitement thermique, la deuxième étape de ce protocole, a été effectué à différentes températures, dans la gamme de 200 à 300 oC, 275 oC étant la température nécessaire et suffisante25. À partir du tableau 4, on constate que le rendement de masse diminue successivement lorsque la température est relevée de 200 à 250 oC, de 275 oC et de 300 oC, et de près de 90 wt% à 73 wt%, 74 wt% et 60 wt%, respectivement. Cependant, en raison de l’hétérogénéité de la biomasse, et d’autres contributions possibles de la cuisine reste mélange, cette valeur n’est pas entièrement reproductible et peut varier dans la gamme de 70 wt% à 80 wt% pour le traitement à 275 oC. Dans un bécher placé sous la prise du réacteur, un liquide brun est recueilli, qui se sépare en deux phases sur la position : une phase aqueuse inférieure jaune et une phase organique brun foncé supérieure. Le rendement du liquide varie de 8 wt% à 30 wt% pour la plage de température de 200 à 300 oC, et les moyennes sont d’environ 20wt% pour le traitement à 275 oC (tableau 4). On peut voir que le bilan de masse du traitement thermique n’atteint pas 100 wt%, mais résume jusqu’à 90 à 95 wt%. Peut-être la formation de 5 à 10 wt% de dioxyde de carbone, produite par la décarboxylation, est la raison de l’écart. En outre, les composés volatils tels que l’eau ne sont pas condensés complètement avec la configuration de réaction. Le produit final peut être analysé pour sa phytotoxicité par le test de germination de Zucconi28. En bref, les graines sont exposées à des extraits aqueux et l’effet sur la croissance des racines est quantifié (après plusieurs jours ou semaines). En l’espèce, une analyse simple et standard est utilisée pour une évaluation rapide des résultats de la réaction, à savoir l’analyse par thermogravimétrie (TG). Par la présente, un petit échantillon est exposé à un flux d’air à une température croissante (p. ex., jusqu’à 600 oC) et la réduction de poids est surveillée. Les graphiques TG typiques pour différents échantillons d’hydrochar sont affichés dans la figure 2. La perte de masse pour l’hydrochar brut commence à environ 200 oC et atteint près de 50 % à 300 oC. Pour l’échantillon traité à 200 oC au cours de l’étape 2, la perte de masse recommence à 200 oC, mais à 300 oC, il reste 70 %. Les échantillons traités à une température plus élevée au cours de l’étape 2 commencent à perdre de la masse pendant l’analyse TG à une température plus élevée et environ 90 % restent à 300 oC. Par conséquent, on peut voir que la perte de substances volatiles entre 200 et 300 oC est réduite en comparant celui pour les échantillons traités avec de l’hydrochar brut. L’élimination de ce matériau volatil était l’objectif du traitement thermique et la méthode analytique le confirme sans ambiguïté28. Pour la quantification, la perte de masse à 275 oC peut être déterminée à l’aide du graphique TG (Figure 2). Dans la figure 3, la barre entière présente la perte de masse pour l’échantillon d’hydrochar non traité (34,6 wt%). Après le traitement à 200 oC, la perte de masse était de 17,1 wt% de la masse totale dans les conditions analytiques spécifiées. Cela correspond à une réduction de la teneur volatile de 17,5 points de pourcentage par rapport à l’hydrochar brut. Après des traitements à 250, 275 et 300 oC, la perte de masse correspondante était de 6,01, 5,17 et 4,22 wt% de la masse totale, respectivement. On peut conclure que le traitement à 200 oC a enlevé 50 wt% de ces volatiles, et celui à 250 oC enlevé plus de 80 wt%. D’autres augmentations de température n’ont induit que de petits changements. Figure 1 : Description schématique du protocole.Les résidus de biomasse lignocellulosique produits par les ménages sont convertis par carbonisation hydrothermale (HTC) en hydrochar brut qui est soumis à un processus de finition consistant en un post-traitement thermique à 275 oC en l’absence d’eau. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 2 : Analyse thermogravimétrique des échantillons d’hydrochar.Les courbes montrent la perte de poids lorsque l’hydrochar brut et les échantillons traités à différentes températures ont été exposés à l’air à une température croissante. Les valeurs observées à 275 oC ont été utilisées pour comparer l’efficacité des traitements à la figure 3. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 3 : Perte de poids jusqu’à 275 oC lors de l’analyse de l’hydrochar par thermogravimétrie.L’hydrochar brut et les échantillons traités à différentes températures ont été analysés par thermogravimétrie (TG). La barre entière correspond à la quantité éliminée dans l’hydrochar non traité jusqu’à 275 oC lors de l’analyse par TG (voir figure 2). Cette quantité peut être réduite par des traitements thermiques des échantillons d’hydrochar : d’environ 50 wt%, soit de 17,5 points de pourcentage, par le traitement à 200 oC (couleur bleue); un autre 11,1 points de pourcentage par le traitement à 250 oC (couleur rouge); une nouvelle augmentation de la température de la température du traitement ne montre que des effets minimes, à savoir 0,84 et 0,95 point de pourcentage pour les traitements à 275 oC (gris) et 300 oC (orange), respectivement. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. échantillon humidité Eau ajoutée Eau totale Pression (chaud/froid) Rendement solide (sec) Rendement solide (sec) matière première [g] [wt%] [g] [wt%] [barre] [g] [wt%] Restes de fruits Coquilles de pistache 5h00 8,0 10,1 69,5 annonces 22/0 2,28 49 ans, en plus Pierres d’olive 5.10 Annonces 9,0 10,1 69,5 annonces 31/9 2,55 55 Annonces Noyau d’abricot 8,74 11,5 Annonces 3,33 35,9 Annonces 26/13 2,56 33 Ans, états-unis ( Pierres de prune 4,95 33,6 Annonces 10,2 78,3 28/9 2.11 (en) 64 Annonces Pierres de cerise 7,61 45,8 Annonces 4,03 64,6 30/10 2,62 64 Annonces Pierres de Nispero 10,7 Annonces 53,0 2,41 61,6 Annonces 40/14 2,57 51 Annonces Pierres de nectarine 9h65 48,6 Annonces 5,44 67,1 Annonces 27/10 3h30 67 Annonces peau 15,2 Annonces 89,0 2,27 90,4 25/9 0,93 56 Annonces Peau de melon 16,1 Annonces 87,4 2,32 89,0 24/8 0,64 32 Ans, états-unis ( Noyau d’ananas 15,5 annonces 86,1 Annonces 2,15 87,8 26/9 1h30 60 Annonces Restes de légumes, plantes et matières herbacées Palmettes 12,6 Annonces 55,1 Annonces 2,17 61,7 42/40/17 4,95 87 Annonces palmier 15,0 78,5 annonces 2.11 (en) 81,2 23/4 1,47 45 Annonces Feuilles d’ananas 15,4 Annonces 78,4 Annonces 1,74 80,6 21/8 1,00 30 Ans, états-unis ( Marc de café 10,8 Annonces 60,9 Annonces 5,08 73,4 Annonces 20/9 2,73 65 Annonces Feuilles artishoke 15,1 Annonces 80,2 2,18 82,7 31/9 1,53 51 Annonces Feuilles de laitue 15,3 Annonces 91,3 1,77 92,2 20/5 0,39 29 Ans et plus Calçot part 15,0 72,7 2,80 77,0 29/11 1,54 38 Annonces Gousses de haricot 15,1 Annonces 82,6 2h30 84,9 31/4 1,43 55 Annonces Sacs compostables Sac compostable pour une utilisation quotidienne 5,01 0 (en) 10,0 66,7 20/4 2,08 42 Ans, états-unis ( Sac pour le compostage 2,50 0 (en) 5h00 66,7 16/3 Annonces 0,92 37 Ans, états-unis ( Capsule de café compostable (avec motifs de café) 5,56 31,4 8h05 72,0 26/7 1.19 (en) 31 Ans, états-unis ( Tableau 1 : Données expérimentales sur les carbonisations hydrothermales.Quantités de matière solide et d’eau utilisées pour les réactions et le rendement de l’hydrochar obtenu. La valeur de pression indique la pression maximale observée lorsqu’elle est chauffée à 215 oC (chaud) et après refroidissement de l’autoclave à la température ambiante (froid). C (daf) H (daf) N (daf) S (daf) matière première [wt%] [wt%] [wt%] [wt%] Restes de fruits Coquilles de pistache 68,0 4,66 0,34 0,00 Pierres d’olive 70,0 5,97 0,81 0,00 Noyau d’abricot 68,6 annonces 6.16 Annonces 2,21 0,00 Pierres de prune 69,8 Annonces 6,44 1,48 0,01 Pierres de cerise 67,4 Annonces 5,52 1.13 (en) 0,00 Pierres de Nispero 67,1 Annonces 5,47 1,90 0,03 Pierres de nectarine 68,8 Annonces 5,39 0,88 0,04 peau 71,7 6,41 2,91 0,06 Peau de melon 69,1 Annonces 6,24 2,56 0,08 Noyau d’ananas 68,3 Annonces 5,33 1,54 0,02 Restes de légumes, plantes et matières herbacées Palmettes 63,7 6,47 2,65 0,20 palmier 63,2 Annonces 6,09 2,02 0,03 Feuilles d’ananas 60,0 6,52 2,24 0,11 Marc de café 66,8 6,63 3,54 0,17 Feuilles artishoke 63,2 Annonces 5,77 3,28 0,13 Feuilles de laitue 57,8 6,09 3,48 0,18 Calçot part 63,9 Annonces 5,82 3,79 0,55 Gousses de haricot 68,0 6,17 4,18 0,14 Sacs compostables Sac compostable pour une utilisation quotidienne 56,8 Annonces 5.15 Annonces 0,09 0 (en) Sac pour le compostage 61,1 Annonces 5,38 0,09 0 (en) Capsule de café compostable (avec motifs de café) 60,5 annonces 5,57 2,56 0 (en) Tableau 2 : Analyse élémentaire des échantillons d’hydrochar. propriété unité valeur Teneur en cendres (base sèche; 815 oC) [wt%] 12,9 Volatiles (base sèche; 900 oC) [wt%] 66,4 Annonces Carbone fixe (base sèche) [wt%] 20,8 C (daf) [wt%] 66,1 Annonces H (daf) [wt%] 7,4 Annonces N (daf) [wt%] 3,0 S (daf) [wt%] 0,2 (en) Tableau 3 : Analyse immédiate et analyse élémentaire de l’échantillon d’hydrochar utilisé dans les traitements thermiques28. produire produire masse initiale (hydrochar) température masse finale (hydrochar) liquide de masse Af de équilibre de masse rendement solide liquide de rendement Af de entrée [g] [C] [g] [g] [g] [g] [%] [wt%] [wt%] [wt%] [wt%] 1 Fois 15,3 Annonces 275 Annonces 11,0 3.14 (en) 0,125 3,02 92,2 71,7 20,5 annonces 0,82 19,7 2 (en) 20,5 annonces 275 Annonces 15,6 annonces 3,82 0,74 3,05 94,4 75,8 Annonces 18,6 annonces 3,61 14,9 3 (en) 30,7 275 Annonces 22,5 6,79 1.01 (en) 5,78 95,6 73,5 22,1 3,29 18,8 4 ( en plus) 15,7 200 Ans et plus 13,7 Annonces 1,27 0,26 1.01 (en) 95,8 87,7 8.10 Annonces 1,66 6,44 5 Annonces 15,3 Annonces 55w 11,2 3,27 0,25 3,02 94,5 73,2 Annonces 21,3 1,63 19,7 6 Annonces 15,0 300 Ans et plus 9h07 4,46 0,593 3,87 90,1 60,4 Annonces 29,7 3,95 25,8 7a 7a 15,3 Annonces 275 Annonces 11,8 Annonces 1,79 1,02 0,77 88,9 77,2 11,7 Annonces 6,68 5,05 a Réalisé avec hydrochar produit à partir de tailles de jardin au lieu de l’OFMSW. Tableau 4 : Données expérimentales des traitements thermiques.Après la réaction, un solide et un liquide sont récupérés. Le liquide s’est séparé en se tenant dans une fraction aqueux (AF) et organique (OF). La quantité manquante est attribuée à la formation permanente de gaz, par exemple, le dioxyde de carbone et la condensation incomplète de matières volatiles comme l’eau.

Discussion

La carbonisation hydrothermale est une méthode très résistante et fournit toujours un produit carboné, c’est-à-dire l’hydrochar. Cependant, le rendement et les propriétés de l’hydrochar peuvent varier, non seulement en raison des conditions de réaction ou du contrôle des réactions, mais plutôt en raison de l’hétérogénéité et de la variation de la biomasse. Par exemple, le rendement de masse et la teneur en C peuvent être plus élevés pour la biomasse lignocellulosique avec une teneur plus élevée en lignine ou des matériaux ligneux.

Dans le cas où un degré de carbonisation plus élevé (quantifié par l’analyse élémentaire) est souhaité, l’hydrochar peut être soumis à nouveau à la réaction de carbonisation. Alternativement, dans les réactions futures le temps de réaction peut être prolongé ou la température de réaction peut être augmentée (attention, la pression automatique de l’eau augmente exponentiellement avec la température).

L’issue du traitement thermique dépend également de la composition de la matière première. Par exemple, si la biomasse implique d’autres composants organiques tels que l’huile végétale, le traitement thermique séparera ces composés volatils du solide et la perte de masse sera plus grande.

Dans le protocole actuel, les deux étapes sont effectuées en mode lot. Pour l’application industrielle, l’ensemble du processus de production doit être effectué en mode continu. La carbonisation hydrothermale est déjà réalisée comme un processus continu26,27, mais le traitement thermique doit encore être développé. L’objectif final est de convertir l’OFMSW en un matériau carboné avec des propriétés de tourbe de sorte que l’utilisation de la tourbe (considéré comme un matériau fossile) augmente dans l’agriculture et l’horticulture avec des avantages évidents pour l’environnement et en tant que contributeur au climat l’atténuation des changements.

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Les auteurs sont reconnaissants du soutien financier reçu de la Commission européenne dans le cadre du Programme CharM et AdvCharM du Programme Climat-KIC et du Ministère espagnol de la Science, de l’Innovation et des Universités dans le cadre du RTC-2017-6087-5 de l'”Investigacion, Desarrollo e Innovacion Orientada a los Retos de la Sociedad” Programme et dans le cadre du programme Severo Ochoa (SEV-2016-0683).

Materials

Autoclave with a vessel volume of 100 to 500 mL
Continuous flow tubular calcination reactor with glass frit Cuartz tube: 37 cm long, 20 mm outer diameter, glass frit (3 mm thickness) at 22 cm from the top of the tube
Vacuum filtration system Buchner funnel, filter paper, filter flask
Oven for drying samples at 100 °C
Thermogravimetric analyzer E.g. Netzsch STA 449F3 Jupiter with Netzsch STA 449F3 software and Netzsch ASC Manager software for autosampler control
Any king of vegetable biomass (for examples see tables 1 and 2) including:
Compostable plastic bags from BASF
Plastic bags for collection of the organic fraction in households, provided by local waste managers
Compostable coffee capsules ecovio (BASF)
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referenzen

  1. Titirici, M. M., Thomas, A., Yu, S. H., Mueller, J. O., Antonietti, M. A. Direct Synthesis of Mesoporous Carbons with Bicontinuous Pore Morphology from Crude Plant Material by Hydrothermal Carbonization. Chemistry of Materials. 19 (17), 4205-4212 (2007).
  2. Düdder, H., Wütscher, A., Stoll, R., Muhler, M. Synthesis and characterization of lignite-like fuels obtained by hydrothermal carbonization of cellulose. Fuel. 171, 54-58 (2016).
  3. Funke, A., Ziegler, F. Hydrothermal carbonization of biomass: a summary and discussion of chemical mechanisms for process engineering. Biofuels, Bioproducts and Biorefining. 4 (2), 160-177 (2010).
  4. Titirici, M. M., Thomas, A., Antonietti, M. Back in the black: Hydrothermal carbonization of plant material as an efficient chemical process to treat the CO2 problem?. New Journal of Chemistry. 31 (6), 787-789 (2007).
  5. Gruda, N. Current and future perspective of growing media in Europe. Acta Horticulturae. 960, 37-43 (2012).
  6. Benavente, V., Calabuig, E., Fullana, A. Upgrading of moist agro-industrial wastes by hydrothermal carbonization. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 113, 89-98 (2015).
  7. Volpe, M., et al. One stage olive mill waste streams valorisation via hydrothermal carbonisation. Waste Management. 80, 224-234 (2018).
  8. Sabio, E., Álvarez-Murillo, A., Román, S., Ledesma, B. Conversion of tomato-peel waste into solid fuel by hydrothermal carbonization: Influence of the processing variables. Waste Management. 47, 122-132 (2016).
  9. Lucian, M., et al. Impact of hydrothermal carbonization conditions on the formation of hydrochars and secondary chars from the organic fraction of municipal solid waste. Fuel. 233, 257-268 (2018).
  10. Mäkelä, M., Forsberg, J., Söderberg, C., Larsson, S. H., Dahl, O. Process water properties from hydrothermal carbonization of chemical sludge from a pulp and board mill. Bioresource Technology. 263, 654-659 (2018).
  11. Ulbrich, M., Preßl, D., Fendt, S., Gaderer, M., Spliethoff, H. Impact of HTC reaction conditions on the hydrochar properties and CO2 gasification properties of spent grains. Fuel Processing Technology. 167, 663-669 (2017).
  12. Hu, B., et al. Engineering carbon materials from the hydrothermal carbonization process of biomass. Advanced Materials. 22 (7), 813-828 (2010).
  13. Sevilla, M., Fuertes, A. B., Rezan, D. C., Titirici, M. M. Applications of Hydrothermal Carbon in Modern Nanotechnology. Sustainable Carbon Materials from Hydrothermal Processes. , 213-294 (2013).
  14. Sánchez, A., et al. Greenhouse gas emissions from organic waste composting. Environmental Chemistry Letters. 13 (3), 223-238 (2015).
  15. Andersen, J. K., Boldrin, A., Christensen, T. H., Scheutz, C. Greenhouse gas emissions from home composting of organic household waste. Waste Management. 30 (12), 2475-2482 (2010).
  16. Owsianiak, M., Brooks, J., Renz, M., Laurent, A. Evaluating climate change mitigation potential of hydrochars: compounding insights from three different indicators. GCB Bioenergy. 10, 230-245 (2018).
  17. Lorenz, K., Lal, R. Biochar application to soil for climate change mitigation by soil organic carbon sequestration. Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 177 (5), 651-670 (2014).
  18. Solomon, D., et al. Indigenous African soil enrichment as a climate-smart sustainable agriculture alternative. Frontiers in Ecology and the Environment. 14 (2), 71-76 (2016).
  19. Glaser, B., Haumaier, L., Guggenberger, G., Zech, W. The “Terra Preta” phenomenon: a model for sustainable agriculture in the humid tropics. Naturwissenschaften. 88 (1), 37-41 (2001).
  20. Fornes, F., Belda, R. M. Acidification with nitric acid improves chemical characteristics and reduces phytotoxicity of alkaline chars. Journal of Environmental Management. 191, 237-243 (2017).
  21. Fornes, F., Belda, R. M., Fernández de Córdova, P., Cebolla-Cornejo, J. Assessment of biochar and hydrochar as minor to major constituents of growing media for containerized tomato production. Journal of the Science of Food and Agriculture. 97 (11), 3675-3684 (2017).
  22. Busch, D., Kammann, C., Grünhage, L., Müller, C. Simple biotoxicity tests for evaluation of carbonaceous soil additives: Establishment and reproducibility of four test procedures. Journal of Environmental Quality. 41 (4), 1023-1032 (2012).
  23. Dalias, P., Prasad, M., Mumme, J., Kern, J., Stylianou, M., Christou, A. Low-cost post-treatments improve the efficacy of hydrochar as peat replacement in growing media. Journal of Environmental Chemical Engineering. 6 (5), 6647 (2018).
  24. Busch, D., Stark, A., Kammann, C. I., Glaser, B. Genotoxic and phytotoxic risk assessment of fresh and treated hydrochar from hydrothermal carbonization compared to biochar from pyrolysis. Ecotoxicology and Environmental Safety. 97, 59 (2013).
  25. Hitzl, M., Mendez, A., Owsianiak, M., Renz, M. Making hydrochar suitable for agricultural soil: A thermal treatment to remove organic phytotoxic compounds. Journal of Environmental Chemical Engineering. 6 (6), 7029-7034 (2018).
  26. Hitzl, M., Corma, A., Pomares, F., Renz, M. The hydrothermal carbonization (HTC) plant as a decentral biorefinery for wet biomass. Catalysis Today. 257 (P2), 154-159 (2015).
  27. Burguete, P., et al. Fuel and chemicals from wet lignocellulosic biomass waste streams by hydrothermal carbonization. Green Chemistry. 18 (4), 1051-1060 (2016).
  28. Zucconi, F., Monaco, A., Forte, M., De Bertoldi, M. Phytotoxins during the stabilization of organic matter. Composting of Agricultural and Other Wastes. , (1985).

Tags

Organic WastePeat SubstituteHydrothermal CarbonizationBiomassKitchen LeftoversCarbonization ReactionHydrocharSolid FuelClimate Change MitigationCarbon Capture And StorageFossil Fertilizer Savings

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Diesen Artikel zitieren
Hernández-Soto, M. C., Hernández-Latorre, M., Oliver-Tomas, B., Ponce, E., Renz, M. Transformation of Organic Household Leftovers into a Peat Substitute. J. Vis. Exp. (149), e59569, doi:10.3791/59569 (2019).
Zitat herunterladen
Nachdrucke und Berechtigungen

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image