En protokol for hydrotermisk forkulning af vegetabilsk madaffald i en autoklave præsenteres, med efterfølgende tør termisk behandling ved 275 °c i en kontinuerlig strømnings reaktor sorptionsmiddel flygtige organiske stoffer. Formålet er at producere et kulstof materiale, der egner sig som jord ændrings produkt eller substrat komponent.
En to-trins procedure er beskrevet for syntesen af et kulstof materiale med en lignende sammensætning og egenskaber som tørv. Den producerede hydrochar er lavet egnet til landbrugsformål ved at fjerne plantevækst hæmmende stoffer. Vådt husholdningsaffald såsom frugtskaller, kaffe grunde, ikke-spiselige vegetabilske dele eller vådt lignocellulosisk materiale i almindelighed, behandles i tilstedeværelse af vand ved 215 °C og 21 bar i en autoklave, dvs ved hydrotermisk karbonisering. Alle disse rester har et betydeligt vandindhold på op til 90 vægtprocent (WT%). Tilsætning af vand udvider proceduren til tørrere materialer såsom nøddeskaller eller endda have beskæring og komposable polymerer, dvs plastikposen til indsamling af rester.
Normalt producerer det resulterende kulstof materiale, kaldet hydrochar, en negativ effekt på plantevækst, når det tilsættes til jord. Det antages, at denne effekt er forårsaget af adsorbede fytotoksiske forbindelser. En simpel efter behandling under inert atmosfære (fravær af ilt) ved 275 °C fjerner disse stoffer. Derfor er den rå hydrochar placeret på en glasfritte af en lodret tubulær kvarts reaktor. En nitrogen gasstrøm anvendes i nedadgående retning. Røret opvarmes til den ønskede temperatur ved hjælp af en varmekappe i op til en time.
Succesen med den termiske behandling er let kvantificeret ved termo gravimetri (TG), udført i luft. Et vægttab bestemmes, når temperaturen på 275 ° c er nået, da flygtige indhold desorbed. Dens beløb er reduceret i det endelige materiale, i forhold til den ubehandlet hydrochar.
Den to-trins behandling konverterer husholdnings rester, herunder komposterings bare poser ansat til deres samling, i et kulstof materiale, der kan tjene som plantevækst promotor og, på samme tid, som en kulstofdræn for klimaændringer afbødning.
Hydrotermisk karbonisering (HTC) er en ny teknologi til affaldshåndtering af våde, behandling ressourcer. Denne teknologi blev genopdaget af Antonietti og Titirici og anvendt på fyrretræs nåle, fyrre kegler, egetræs blade og appelsinskræl1. Derved omdannes biomassen til hydrochar, et Kulholdig fast stof, der svarer til brunkul2,3 eller tørv4,5. Siden da har mange rest råmaterialer været behandlet som agroindustri affald6,7,8, den organiske fraktion af kommunalt fast affald (ofmsw)9eller papirmølle slam10. Teknologien anvendes også som forbehandling af biomasse til pyrolyse og gasning11. Desuden giver proceduren moderne nanoteknologi materialer fra homogene vedvarende ressourcer såsom sukker eller cellulose. Disse avancerede materialer har potentiale for fremtidige applikationer som elektroderne til genopladelige batterier, brændselsceller eller Super kondenatorer, gasoplagring, sensorer eller lægemiddel levering12,13.
Hydrochar er et kulstof materiale, og som sådan kan det bruges som vedvarende fast brændsel, især når det produceres af lav-værdi, heterogene ressourcer med variabel (sæsonbestemt eller regional) sammensætning. Men hydrochar produktion og dens anvendelse på jord, i stedet for sin umiddelbare forbrænding, vil have et tredobbelt bidrag til afbødning af klimaændringer. Først vælger HTC som Affaldshåndterings teknologi undgår emission af den kraftige drivhusgas methan under kompostering eller ukontrolleret nedbrydning14,15. For det andet, at undgå forbrænding af hydrochar efter en kort periode og anvende det på jorden, fjerner kuldioxid fra atmosfæren i en længere periode, dvs, det består i reel kulstofopsamling og lagring (CCS)16,17. For det tredje, i almindelighed, char ændret jord er mere frugtbar jord (sort jord) og plantevækst er steget. 18 , 19 dette reducerer anvendelsen af gødning og kuldioxidemissionerne i forbindelse med deres produktion ud over at bevare ressourcerne. Desuden fjerner yderligere plantevækst mere kuldioxid fra atmosfæren.
Selv om det er helt klart, at der er mange indlysende argumenter for anvendelsen af hydrochar til jord, materialet indebærer en ulempe: rå hydrochar ikke opfører sig nøjagtigt som Biochar, der er produceret af pyrolyse. Hydrochar ikke klart øge plantevækst eller endnu værre, ofte det forårsager en temmelig negativ effekt20,21,22. Derfor tilskyndes landmændene ikke til at anvende det, og endnu mindre til at betale penge for det. Heldigvis kan denne ulempe afbødes eller elimineres. Den letteste fremgangsmåde er blot at vente på den anden dyrkningscyklus22. Også vaskninger20,21,22,23 eller co-kompostering24 er vellykkede behandlinger til dette formål. Men alle disse procedurer kræver tid eller producere en vandig strøm, der har brug for yderligere omhu.
For nylig har det vist sig, at rå hydrochar kan udsættes for en blød termisk efter behandling25. Formålet med denne procedure er blot at Red de uønskede flygtige og skadelige stoffer. Den resulterende koncentrerede strøm af hovedsagelig organisk materiale kan valoriseres termisk in situ. Som sådan er energibalancen i HTC-anlægget forbedret, og enhver miljørisiko ved side strømmen forhindres. Spire tests viser, at behandlingen er vellykket, når den udføres ved temperaturer på 275 °C eller højere.
Denne protokol (Se figur 1) omfatter to reaktionstrin og en enkel analytisk metode til evaluering af reaktions resultatet. Under det første trin omdannes biomassen til rå hydrochar i en autoklave ved 215 °C og ved 21-bar tryk. Her er husholdnings rester ansat som råvare. Disse omfatter alle former for vegetabilsk materiale såsom frugt skræl, frugtsten, uspiselige vegetabilske dele, kaffepladser, køkkenpapir, kompokable plastikposer osv. Det Kulholdig materiale opsamles ved filtrering og tørret. For det andet trin anbringes den på en glasfritte af en lodret rørformet reaktor, der anvender gasstrømmen i en nedadgående strømningsretning. Røret opvarmes til 275 °C i 1 time. Det resulterende fast stof analyseres ved termo gravimetri (TG) i luften. Det materielle tab op til 275 °C kvantificeres og sammenlignes med det observerede tab ved ubehandlet hydrochar. Kulstof materialet kan yderligere karakteriseres ved elementær analyse (C, H, N og S), askeindhold og aske sammensætning (hovedsagelig ca, al, si og P).
Hydrotermisk forkulning er en meget robust metode og giver altid et kulstofholdige produkt, dvs hydrochar. Dog kan udbyttet og egenskaberne af hydrochar variere, ikke kun på grund af reaktions forhold eller reaktions kontrol, men snarere på grund af heterogenitet og variation af biomassen. For eksempel kan masse udbytte og C-indhold være højere for lignocellulosisk biomasse med et højere ligninindhold eller woody materialer.
I tilfælde af, at en højere forkulning grad (kvantificeret ved elementær analyse) ønskes, kan hydrochar genindsendes til forkulning reaktion. Alternativt, i fremtidige reaktioner reaktionstid kan forlænges eller reaktionstemperatur kan øges (forsigtighed, autogene vandtrykket stiger eksponentielt med temperatur).
Resultatet af den termiske behandling afhænger også af sammensætningen af råmaterialet. For eksempel, hvis biomassen involverer andre organiske komponenter såsom vegetabilsk olie, vil den termiske behandling adskille disse flygtige forbindelser fra det faste og massetabet vil være større.
I denne protokol udføres begge trin i batchtilstand. Til industriel anvendelse skal hele produktionsprocessen udføres i kontinuerlig drift. Hydrotermisk karbonisering er allerede udført som en kontinuerlig proces26,27, men den termiske behandling skal stadig udvikles yderligere. Det endelige mål er at omdanne OFMSW til et Kulholdig materiale med tørv egenskaber, således at der anvendes tørv (betragtes som et fossilt materiale) stigninger i landbrug og gartneri med klare fordele for miljøet og som en bidragyder til klima ændring af afhjælpning.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne er taknemmelige for den finansielle støtte, der er modtaget fra Europa-Kommissionen under charmen og Advcharmen fra klima-VIF-programmet og fra det spanske ministerium for videnskab, innovation og universiteter under RTC-2017-6087-5 i “Investigación, Desarrollo e Innovacion Orientada et Los Retos de la sociedad program og under Severo Ochoa-programmet (SEV-2016-0683).
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) |