ويُعرض بروتوكول لتجسيد النفايات الغذائية النباتية في الأوتوكلاف بالكربون الحراري المائي، مع المعالجة الحرارية الجافة اللاحقة عند درجة حرارة 275 درجة مئوية في مفاعل تدفق مستمر يُخِّص المواد العضوية المتطايرة. والهدف من ذلك هو إنتاج مادة كربونية مناسبة كمنتج تعديل التربة أو مكون الركيزة.
ويرد وصف لإجراء من خطوتين لتركيب مادة كربونية ذات تكوين وخصائص مماثلة للخث. يتم إجراء هيدروشار المنتجة مناسبة للتطبيقات الزراعية عن طريق إزالة المواد المثبطة زراعة النبات. يتم التعامل مع النفايات المنزلية الرطبة مثل قشر الفاكهة، والقهوة، وقطع الخضروات غير الصالحة للأكل، أو المواد الليغنوسلولوسية الرطبة بشكل عام، في وجود الماء في 215 درجة مئوية و 21 بار في الأوتوكلاف، أي عن طريق الكربنة الحرارية المائية. كل هذه بقايا لها محتوى كبير من المياه تصل إلى 90٪ الوزن (الوزن٪). إضافة الماء يوسع الإجراء إلى مواد أكثر جفافا مثل الصدف أو حتى تقليم الحديقة والبوليمرات القابلة للتركيب، أي كيس من البلاستيك لجمع بقايا الطعام.
وعادة ما تنتج مادة الكربون الناتجة، التي تسمى هيدروشار، أثرا سلبيا على نمو النبات عند إضافتها إلى التربة. ومن المفترض أن يحدث هذا التأثير بسبب المركبات السامة النباتية الممتزة. بسيطة بعد العلاج في ظل الغلاف الجوي الخامل (عدم وجود الأكسجين) في 275 درجة مئوية يزيل هذه المواد. لذلك، يتم وضع هيدروشار الخام على فريت الزجاج من مفاعل الكوارتز أنبوبي عمودي. يتم تطبيق تدفق غاز النيتروجين في اتجاه التدفق الأسفل. يتم تسخين الأنبوب إلى درجة الحرارة المطلوبة عن طريق عباءة التدفئة لمدة تصل إلى ساعة واحدة.
يتم قياس نجاح المعالجة الحرارية بسهولة عن طريق قياس الجاذبية الحرارية (TG)، التي أجريت في الهواء. يتم تحديد فقدان الوزن عند الوصول إلى درجة حرارة 275 درجة مئوية، حيث أن المحتوى المتطاير هو desorbed. يتم تخفيض مقداره في المواد النهائية، بالمقارنة مع هيدروشار غير المعالجة.
وتحوّل المعالجة المكونة من خطوتين بقايا الأسر المعيشية، بما في ذلك الأكياس القابلة للتركيب المستخدمة في جمعها، إلى مادة كربونية يمكن أن تكون بمثابة مروج لنمو النباتات، وفي الوقت نفسه، كبالوعة كربون للتخفيف من آثار تغير المناخ.
الكربنة الحرارية المائية (HTC) هي تكنولوجيا ناشئة لإدارة النفايات من الموارد الرطبة، lignocellulosic. تم إعادة اكتشاف هذه التكنولوجيا من قبل أنتونيتي وتيتيريتشي وتطبيقها على إبر الصنوبر والصنوبر وأوراق البلوط وقشور البرتقال1. وبالتالي، يتم تحويل الكتلة الحيوية إلى هيدروشار،وهو صلب كربوني مماثل للليغنيت 2،3 أو الجفت4،5. ومنذ ذلك الحين، قامت العديد من المواد الوسيطة المتبقية بمعالجة مثل النفايات الزراعية الصناعية6و7و8، والكسر العضوي للنفايات الصلبة البلدية (OFMSW)9،أو الحمأة مطحنة الورق10. وتستخدم هذه التكنولوجيا أيضا كعلاج مسبق للكتلة الحيوية للانحلال الحراري والتغويز11. وبالإضافة إلى ذلك، يوفر الإجراء مواد التكنولوجيا النانوية الحديثة من الموارد المتجددة متجانسة مثل السكريات أو السليلوز. هذه المواد المتقدمة لديها القدرة على التطبيقات المستقبلية كأقطاب للبطاريات القابلة لإعادة الشحن، خلايا الوقود أو المكثفات الفائقة، تخزين الغاز، أجهزة الاستشعار أو تسليم المخدرات12،13.
هيدروشار هو مادة كربونية، وبهذه الحالة يمكن استخدامه كوقود صلب متجدد، خاصة عندما ينتج من موارد منخفضة القيمة وغير متجانسة ذات تكوين متغير (موسمي أو إقليمي). غير أن إنتاج الهيدروشار وتطبيقه على التربة، بدلاً من احتراقه الفوري، سيكون له إسهام ثلاثي في التخفيف من آثار تغير المناخ. أولا، اختيار HTC كتكنولوجيا إدارة النفايات يتجنب انبعاث غاز الدفيئة قوية الميثان خلال السماد أو التحلل غير المنضبط14،15. ثانياً، تجنب احتراق الهيدروشار بعد فترة قصيرة من الزمن وتطبيقه على التربة، ويزيل ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي لفترة أطول من الزمن، أي أنه يتكون من احتجاز الكربون وتخزينه الحقيقي (CCS)16و17. ثالثاً، بصفة عامة، التربة المعدلة شار هي التربة أكثر خصوبة (التربة السوداء) وزيادة نمو النبات. 18 سنة , (19) هذا يقلل من استخدام الأسمدة وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون المتصلة بإنتاجها، إلى جانب الحفاظ على الموارد. وعلاوة على ذلك، فإن النمو النباتي الإضافي يزيل المزيد من ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي.
على الرغم من أنه من الواضح تماما أن هناك العديد من الحجج الظاهرة لتطبيق هيدروشار على التربة، والمواد ينطوي على إزعاج: هيدروشار الخام لا يتصرف تماما كما biochar التي تنتجها الانحلال الحراري. هيدروشار لا يزيد بوضوح نمو النبات أو أسوأ من ذلك، في كثير من الأحيان أنه يسبب تأثير سلبي إلى حد ما20،21،22. ولذلك، لا يُشجَّع المزارعون على تطبيقه، بل أقل من ذلك على دفع المال مقابل ذلك. لحسن الحظ، يمكن تخفيف هذا العيب أو القضاء عليه. النهج الأسهل هو ببساطة الانتظار لدورة الزراعة الثانية22. أيضا الغسيل20،21،22،23 أو المشاركة في سماد24 هي علاجات ناجحة لهذا الغرض. ومع ذلك، فإن جميع هذه الإجراءات تتطلب وقتا ً أو تنتج تيارمائي يحتاج إلى مزيد من الرعاية.
في الآونة الأخيرة، وقد تبين أن هيدروشار الخام يمكن أن تخضع للينة الحرارية بعد المعالجة25. والهدف من هذا الإجراء هو ببساطة desorb المواد المتطايرة والضارة غير المرغوب فيها. ويمكن أن يكون التدفق المركز الناتج عن المواد العضوية أساسا ً متثميناً حرارياً في الموقع. على هذا النحو، يتم تحسين توازن الطاقة من محطة HTC ويتم منع أي خطر بيئي من تيار الجانب. تظهر اختبارات الإنبات أن العلاج ناجح عند تنفيذه في درجات حرارة 275 درجة مئوية أو أعلى.
وينطوي هذا البروتوكول (انظر الشكل1) على خطوتين للرد وطريقة تحليلية مباشرة لتقييم نتائج رد الفعل. خلال الخطوة الأولى، يتم تحويل الكتلة الحيوية إلى هيدروشار الخام في الأوتوكلاف في 215 درجة مئوية والضغط 21 بار. هنا، يتم استخدام بقايا الأسر ة كمواد البداية. وتشمل هذه جميع أنواع المواد النباتية مثل قشور الفاكهة، وأحجار الفاكهة، وقطع الخضروات غير الصالحة للأكل، وأراضي القهوة، ورقة المطبخ، وأكياس بلاستيكية قابلة للتركيب، الخ. يتم جمع المواد الكربونية عن طريق الترشيح والمجففة. أما بالنسبة للخطوة الثانية، فهي توضع على فريت زجاجي لمفاعل أنبوبي عمودي يطبق تدفق الغاز في اتجاه التدفق التنازلي. يتم تسخين الأنبوب إلى 275 درجة مئوية لمدة 1 ساعة. يتم تحليل الصلبة الناتجة عن طريق قياس الجاذبية الحرارية (TG) في الهواء. والخسارة المادية التي تصل إلى 275 درجة مئوية كمية وتقارن بالخسارة التي لوحظت بهيدروشار غير المعالجة. ويمكن أن تتميز مادة الكربون كذلك بتحليل عنصري (C, H, N, and S), محتوى الرماد وتكوين الرماد (أساسا كاليفورنيا, آل, Si, و P).
الكربنة الحرارية المائية هي طريقة مرنة جدا ويوفر دائما منتج الكربونية، أي هيدروشار. ومع ذلك، قد تختلف غلة وخصائص الهيدروشار، ليس فقط بسبب ظروف التفاعل أو التحكم في التفاعل، ولكن بدلا من ذلك بسبب عدم تجانس وتباين الكتلة الحيوية. على سبيل المثال، قد يكون العائد الكتلي ومحتوى C أعلى للكتلة الحيوية الليغنوسسيلوسيك مع محتوى أعلى من lignin أو المواد الخشبية.
وفي حالة الرغبة في الحصول على درجة أعلى من الكربنة (التي يحددها التحليل الأولي)، يمكن إعادة إرسال الهيدروشار إلى رد فعل الكربنة. بدلا من ذلك، في ردود الفعل في المستقبل يمكن إطالة وقت رد الفعل أو يمكن زيادة درجة حرارة رد الفعل (الحذر، يزيد ضغط المياه autogenous أضعافا مضاعفة مع درجة الحرارة).
نتيجة المعالجة الحرارية تعتمد أيضا على تكوين المواد الخام. فعلى سبيل المثال، إذا كانت الكتلة الأحيائية تنطوي على مكونات عضوية أخرى مثل الزيوت النباتية، فإن المعالجة الحرارية ستفصل هذه المركبات المتطايرة عن الخسارة الصلبة والجماعية.
في هذا البروتوكول، يتم تنفيذ كلا الخطوتين في الوضع الدفعي. للتطبيق الصناعي، يجب أن يتم تنفيذ عملية الإنتاج برمتها في وضع مستمر. يتم تنفيذ الكربنة الحرارية المائية بالفعل كعملية مستمرة26،27، ولكن لا يزال يتعين تطوير المعالجة الحرارية أكثر من ذلك. والهدف النهائي هو تحويل نظام إدارة شؤون المرأة والمياه إلى مادة كربونية ذات خصائص الخث بحيث يزيد استخدام الخث (الذي يعتبر مادة أحفورية) في الزراعة والبستنة مع فوائد واضحة للبيئة وكمساهم في المناخ تغيير التخفيف.
The authors have nothing to disclose.
ويعرب المؤلفون عن امتنانهم للدعم المالي الذي تلقته من المفوضية الأوروبية في إطار برنامج “شارم” و”أدفشارم” التابعين لبرنامج “المناخ- KIC” ومن وزارة العلوم والابتكار والجامعات الإسبانية في إطار RTC-2017-6087-5 من “Investigación” برنامج ديسارو إي إينوفاسيون أورينتادا ولوس ريوس دي لا سوسيداد وفي إطار برنامج سيفيرو أوتشوا (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) |