En protokoll for hydrotermisk karbonisering av vegetabilsk matavfall i en autoklav er presentert, med påfølgende tørr termisk behandling ved 275 ° c i en kontinuerlig strømnings reaktor desorbing flyktige organiske stoffer. Målet er å produsere et karbonmateriale egnet som jord endring produkt eller substrat komponent.
En to-trinns prosedyre er beskrevet for syntese av et karbonmateriale med en lignende sammensetning og egenskaper som torv. Den produserte hydrochar er laget egnet for landbruks applikasjoner ved å fjerne plante voksende hemmende stoffer. Våt husholdningsavfall som frukt peeling, kaffe begrunnelse, uspiselige vegetabilske deler, eller vått lignocelluloseholdige materiale generelt, behandles i nærvær av vann ved 215 ° c og 21 bar i en autoklav, dvs. ved hydrotermisk karbonisering. Alle disse restene har et betydelig vanninnhold på opp til 90 vekt% (WT%). Legge vann utvider prosedyren til tørrere materialer som nutshells eller hage prunings og komposterbar polymerer, dvs., plastposen for innsamling av restene.
Vanligvis produserer den resulterende karbonmateriale, kalt hydrochar, en negativ effekt på plantevekst når det legges til jord. Det er antatt at denne effekten er forårsaket av adsorberes phytotoxic forbindelser. En enkel post-behandling under inert atmosfære (fravær av oksygen) ved 275 ° c fjerner disse stoffene. Derfor er den rå hydrochar plassert på et glass frit av en vertikal rørformede kvarts reaktor. En nitrogen gass Flow påføres i Down-Flow retning. Slangen varmes opp til ønsket temperatur ved hjelp av en oppvarmings kappe i opptil en time.
Suksessen til termisk behandling er lett kvantifisert av thermogravimetry (TG), utført i luft. En vekttap bestemmes når temperaturen på 275 ° c er nådd, siden flyktig innhold er desorbed. Beløpet er redusert i det endelige materialet, i forhold til ubehandlet hydrochar.
De to-trinns behandling konverterer husholdnings rester, inkludert komposterbar poser ansatt for samlingen sin, i et karbonmateriale som kan tjene som plantevekst promoter og, på samme tid, som en karbon vask for klimaendringer begrensning.
Hydrotermisk karbonisering (HTC) er en ny teknologi for avfallshåndtering av våte, lignocelluloseholdige ressurser. Denne teknologien ble gjenoppdaget av Antonietti og Titirici og brukes til furu nåler, furu kjegler, eik blader og oransje skreller1. Derved omdannes biomasse til hydrochar, en karbonrike solid lik brunkull2,3 eller torv4,5. Siden da har mange gjenværende feedstocks har behandlet som Agro-industrielle avfall6,7,8, organisk brøkdel av kommunale fast avfall (OFMSW)9, eller papir Mill slam10. Teknologien brukes også som biomasse forbehandling for pyrolyse og gassifisering11. I tillegg gir prosedyren moderne nanoteknologi materialer fra homogene fornybare ressurser som sukker eller cellulose. Disse avanserte materialene har potensial for fremtidige applikasjoner som elektroder for oppladbare batterier, brenselceller eller supercapacitators, gass lagring, sensorer eller legemiddellevering12,13.
Hydrochar er et karbonmateriale og som sådan kan det brukes som fornybar fast brensel, spesielt når produsert fra lav-verdi, heterogene ressurser med variable (sesongmessige eller regionale) sammensetning. Men hydrochar produksjon og dens anvendelse på jord, i stedet for sin umiddelbare forbrenning, vil ha en trippel bidrag til klimaendringer utslippsreduksjoner. Først velger HTC som avfalls håndterings teknologi unngår utslipp av den kraftige klimagass metan under kompostering eller ukontrollert nedbryting14,15. For det andre, unngå forbrenning av hydrochar etter en kort periode og anvende den på jord, fjerner karbondioksid fra atmosfæren for en lengre periode, det vil si, det består i ekte karbonfangst og lagring (CCS)16,17. For det tredje, generelt, Char endret jordsmonn er mer fruktbar jord (svart jord) og plantevekst er økt. 18 av år , 19 dette reduserer gjødsel bruk og karbondioksid utslipp knyttet til sin produksjon, i tillegg bevare ressurser. Videre fjerner ekstra plantevekst mer karbondioksid fra atmosfæren.
Selv om det er helt klart at det er mange åpenbare argumenter for anvendelsen av hydrochar til jord, innebærer materialet en ulempe: rå hydrochar ikke oppfører seg akkurat som biochar som er produsert av pyrolyse. Hydrochar ikke klart øke plantevekst eller enda verre, ofte det fører til en ganske negativ effekt20,21,22. Derfor er bønder ikke oppfordres til å bruke den, og enda mindre å betale penger for det. Heldigvis kan denne ulempen begrenses eller elimineres. Den enkleste tilnærmingen er å bare vente på den andre dyrking syklus22. Også vasker20,21,22,23 eller co-kompostering24 er vellykkede behandlinger for dette formålet. Men alle disse prosedyrene krever tid eller produsere en vandig bekk som trenger mer omsorg.
Nylig har det vært vist at rå hydrochar kan utsettes for en myk termisk post-behandling25. Målet med denne prosedyren er å bare elendig uønskede flyktige og skadelige stoffer. Den resulterende konsentrerte flyten av hovedsakelig organisk materiale kan være valorized termisk in situ. Som sådan er energibalansen til HTC-anlegget forbedret og enhver miljørisiko for side strømmen forhindres. Spire tester viser at behandlingen er vellykket når den utføres ved temperaturer på 275 ° c eller høyere.
Den nåværende protokollen (se figur 1) omfatter to reaksjons trinn og en enkel analytisk metode for evaluering av reaksjons utfallet. I løpet av det første trinnet omdannes biomasse til rå hydrochar i en autoklav ved 215 ° c og ved 21-bar trykk. Her benyttes husholdnings rester som start materiale. Disse inkluderer alle typer vegetabilsk materiale som for eksempel frukt skreller, frukt steiner, uspiselige vegetabilske deler, kaffe begrunnelse, kjøkkenpapir, komposterbar plastposer, etc. Det karbonrike materialet er samlet inn ved filtrering og tørket. For det andre trinnet, er det plassert på et glass frit av en vertikal rørformede reaktoren søker gass flyt i en nedadgående strømningsretning. Slangen varmes opp til 275 ° c i 1 time. Den resulterende solide analyseres av thermogravimetry (TG) i luft. Material tapet opp til 275 ° c er kvantifisert og sammenlignet med tapet observert med ubehandlet hydrochar. Karbon materialet kan videre karakteriseres av elementær analyse (C, H, N og S), askeinnhold og aske sammensetning (hovedsakelig ca, Al, si og P).
Det hydrotermisk karbonisering er en meget motstandsdyktig metoden og alltid skaffer en karbonrike fabrikat, i.e., det hydrochar. Imidlertid kan utbytte og egenskaper av hydrochar variere, ikke bare på grunn av reaksjonsforhold eller reaksjons kontroll, men heller på grunn av heterogenitet og variasjon av biomasse. For eksempel, masse yield og C-innhold kan være høyere for lignocelluloseholdige biomasse med en høyere lignin innhold eller Woody materialer.
I det tilfelle at en høyere karbonisering grad (kvantifisert ved elementær analyse) er ønskelig, kan hydrochar sendes til den karbonisering reaksjonen. Alternativt kan reaksjonstiden i fremtiden bli forlenget eller reaksjons temperaturen kan økes (forsiktighet, autogen vanntrykk øker eksponentielt med temperatur).
Utfallet av termisk behandling avhenger også av sammensetningen av råvare. For eksempel, hvis biomasse involverer andre organiske komponenter som vegetabilsk olje, vil termisk behandling skille disse flyktige forbindelser fra den faste og masse tap vil bli større.
I denne protokollen utføres begge trinnene i satsvis modus. For industriell anvendelse må hele produksjonsprosessen utføres i kontinuerlig drift. Den hydrotermisk karbonisering er allerede utført som en kontinuerlig prosess26,27, men termisk behandling fortsatt må utvikles videre. Det endelige målet er å konvertere OFMSW til et karbonrike materiale med torv egenskaper slik at ansette torv (anses å være et fossilt materiale) øker i landbruket og hagebruk med klare fordeler for miljøet og som en bidragsyter til klima endrings reduksjoner.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne er takknemlige for den økonomiske støtten mottatt fra EU-kommisjonen under CharM og AdvCharM av Climate-KIC program og fra det spanske departementet for vitenskap, innovasjon og universiteter under RTC-2017-6087-5 av “Investigación, Desarrollo e Innovacion Orientada a Los Retos de la Sociedad “program og under Severo Ochoa program (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) |