Ett protokoll för hydrotermisk karbonisering av vegetabiliskt matsvinn i en autoklav presenteras, med efterföljande torr termisk behandling vid 275 ° c i en kontinuerlig flöde reaktor avdunstnings flyktiga organiska ämnen. Syftet är att producera ett kolmaterial som lämpar sig som jord ändring produkt eller substrat komponent.
Ett tvåstegsförfarande beskrivs för syntesen av ett kolmaterial med liknande sammansättning och egenskaper som torv. Den producerade hydrochar görs lämplig för jordbruks applikationer genom att ta bort växternas växande hämmande ämnen. Våt hushållsavfall såsom fruktskal, kaffesump, oätliga vegetabiliska delar, eller våt lignocellulosa material i allmänhet, behandlas i närvaro av vatten vid 215 ° c och 21 bar i en autoklav, dvs genom hydrotermisk karbonisering. Alla dessa rester har en betydande vattenhalt på upp till 90 vikt% (WT%). Tillsätta vatten utökar förfarandet till torrare material såsom blir eller ens trädgård beskärning och kommatabla polymerer, dvs plastpåse för insamling av resterna.
Vanligtvis, den resulterande kolmaterial, kallas hydrochar, ger en negativ effekt på växternas tillväxt när de läggs till marken. Det förutsätts att denna effekt orsakas av adsorberade fytotoxiska föreningar. En enkel efter behandling under inert atmosfär (frånvaro av syre) vid 275 ° c avlägsnar dessa ämnen. Därför är den råa hydrochar placeras på ett glas frit av en vertikal tubulär kvarts reaktor. Ett kvävgasflöde appliceras i nedåtflödesriktningen. Röret värms till önskad temperatur med hjälp av en värmemantel i upp till en timme.
Den termiska behandlingens framgång kvantifieras lätt genom termogravimetri (TG), som utförs i luft. En viktminskning bestäms när temperaturen på 275 ° c uppnås, eftersom flyktigt innehåll är desorbed. Dess mängd reduceras i slutmaterialet, jämfört med obehandlad hydrochar.
Den två stegs behandling omvandlar hushållens rester, inklusive kommatabla påsar som används för deras insamling, till ett kolmaterial som kan fungera som växttillväxt promotor och, samtidigt, som en kolsänka för klimatförändringar minskning.
Hydrotermisk karbonisering (HTC) är en framväxande teknik för avfallshantering av våt, lignocellulosa resurser. Denna teknik återupptäcktes av Antonietti och Titirici och tillämpas på barr, kottar, Eklöv och Apelsins tall1. Därmed omvandlas biomassan till hydrochar, en karbonaceous solid liknar brunkol2,3 eller torv4,5. Sedan dess har många kvarvarande råvaror bearbetats, till exempel agroindustriellt avfall6,7,8, den organiska fraktionen av kommunalt fast avfall (ofmsw)9eller pappersbruket slam10. Tekniken används också som biomassa förbehandling för pyrolys och förgasning11. Dessutom ger förfarandet moderna nanoteknik material från homogena förnybara resurser såsom socker eller cellulosa. Dessa avancerade material har potential för framtida tillämpningar som elektroder för uppladdningsbara batterier, bränsleceller eller superkapare, gaslagring, sensorer eller läkemedelsleverans12,13.
Hydrochar är ett kolmaterial och kan som sådant användas som förnybart fast bränsle, särskilt när det framställs av små, heterogena resurser med varierande (säsongsbunden eller regional) sammansättning. Produktionen av hydrochar och dess tillämpning på marken, i stället för dess omedelbara förbränning, kommer dock att ha ett tredubbelt bidrag till begränsning av klimatförändringarna. Först, att välja HTC som avfallshanteringsteknik undviker utsläpp av den kraftfulla växthusgasen metan under kompostering eller okontrollerad nedbrytning14,15. För det andra, att undvika förbränning av hydrochar efter en kort tidsperiod och tillämpa den på marken, avlägsnar koldioxiden från atmosfären under en längre tid, det vill säga, den består i verklig avskiljning och lagring av koldioxid (CCS)16,17. För det tredje, i allmänhet, ändrade röding jordar är mer bördiga jordar (svart jord) och växternas tillväxt ökas. 18 , 19 Detta minskar användningen av gödningsmedel och koldioxidutsläpp i samband med deras produktion, förutom att bevara resurserna. Dessutom avlägsnar ytterligare växttillväxt mer koldioxid från atmosfären.
Även om det är ganska uppenbart att det finns många uppenbara argument för tillämpningen av hydrochar till marken, innebär materialet en olägenhet: rå hydrochar inte beter sig exakt som biochar som framställs genom pyrolys. Hydrochar ökar inte klart växternas tillväxt eller ännu värre, ofta orsakar en ganska negativ effekt20,21,22. Därför uppmuntras inte jordbrukarna att tillämpa det, och ännu mindre att betala pengar för det. Lyckligtvis kan denna nackdel mildras eller elimineras. Det enklaste sättet är att helt enkelt vänta på den andra odlings cykeln22. Även tvättningar20,21,22,23 eller co-kompostering24 är framgångsrika behandlingar för detta ändamål. Emellertid, alla dessa förfaranden kräver tid eller producera en vattenbaserad ström som behöver ytterligare vård.
Nyligen har det visats att rå hydrochar kan utsättas för en mjuk termisk efter behandling25. Syftet med detta förfarande är att helt enkelt desorb de oönskade flyktiga och skadliga ämnen. Det resulterande koncentrerade flödet av huvudsakligen organiskt material kan valoriseras termiskt in situ. Som sådan förbättras energibalansen i HTC-fabriken och eventuella miljörisker för sido strömmen förhindras. Grobarhet tester visar att behandlingen är framgångsrik när den utförs vid temperaturer på 275 ° c eller högre.
Detta protokoll (se figur 1) omfattar två reaktionssteg och en enkel analysmetod för utvärdering av reaktions resultatet. Under det första steget omvandlas biomassan till rå hydrochar i en autoklav vid 215 ° c och vid 21-bar tryck. Här används hushålls rester som utgångsmaterial. Dessa inkluderar alla typer av vegetabiliska material såsom frukt peeling, frukt stenar, oätliga vegetabiliska delar, kaffesump, köks papper, kometable plastpåsar, etc. Det karbonaceous materialet samlas in genom filtrering och torkas. För det andra steget är det placeras på en glasfrit av en vertikal tubulär reaktor som tillämpar gasflödet i en nedåtgående flödesriktning. Röret värms upp till 275 ° c i 1 h. Den resulterande fast analyseras med termogravimetri (TG) i luft. Material förlusten upp till 275 ° c kvantifieras och jämförs med den förlust som observerats med obehandlad hydrochar. Kolmaterialet kan ytterligare kännetecknas av elementär analys (C, H, N, och S), askinnehåll och aska sammansättning (främst ca, Al, SI, och P).
Den hydrotermiska karbonisering är en mycket motståndskraftig metod och ger alltid en kolhaltiga produkt, dvs hydrochar. Hydrocharens avkastning och egenskaper kan dock variera, inte bara på grund av reaktions förhållanden eller reaktions kontroll, utan snarare på grund av heterogenitet och variation av biomassan. Till exempel, Mass utbyte och C-innehåll kan vara högre för lignocellulosa biomassa med högre lignin innehåll eller vedartade material.
Om en högre karboniseringsgrad (kvantifieras genom elementaranalys) önskas, kan hydrocharen återsändas till karboniseringsreaktionen. Alternativt, i framtida reaktioner reaktionstid kan vara långvarig eller reaktions temperaturen kan ökas (försiktighet, autogena vattentrycket ökar exponentiellt med temperatur).
Resultatet av den termiska behandlingen beror också på sammansättningen av råmaterialet. Till exempel, om biomassan innebär andra organiska komponenter såsom vegetabilisk olja, kommer termisk behandling separera dessa flyktiga föreningar från den fasta och massförlust kommer att vara större.
I detta protokoll utförs båda stegen i batchläge. För industriell tillämpning måste hela produktionsprocessen utföras i kontinuerligt läge. Den hydrotermiska karboniseringen utförs redan som en kontinuerlig process26,27, men den termiska behandlingen måste fortfarande utvecklas ytterligare. Det slutliga målet är att omvandla OFMSW till ett kolhaltiga material med torv egenskaper så att anställa torv (anses vara ett fossilt material) ökningar inom jordbruk och trädgårdsodling med tydliga fördelar för miljön och som bidrar till klimat Ändra begränsning.
The authors have nothing to disclose.
Författarna är tacksamma för det ekonomiska stöd som erhållits från Europeiska kommissionen under CharM och AdvCharM av Climate-KIC-programmet och från det spanska ministeriet för vetenskap, innovation och universitet under RTC-2017-6087-5 i “Investigación, Desarrollo e Innovacion Orientada a Los Retos de La Sociedad-programmet och 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) |