提出了高压灭菌器中蔬菜食物废物热液化方案,在连续流反应器中,在275°C下进行干燥热处理,以分解挥发性有机物质。目的是生产适合作为土壤修正产物或基板成分的碳材料。
描述了一个两步过程,用于合成具有与泥炭相似的成分和特性的碳材料。生产的水炭通过去除植物生长抑制物质,适合农业应用。湿生活垃圾,如果皮、咖啡渣、不可食用的蔬菜部件或一般湿木纤维素材料,在高压灭菌器中,在215°C和21bar的水中处理,即热液碳化。所有这些剩水都有相当大的含水量高达90重量%(wt%)。加水将程序扩展到干燥材料,如坚果壳,甚至花园修剪和可堆肥聚合物,即收集剩菜的塑料袋。
通常,产生的碳材料,称为水炭,在添加到土壤时对植物生长产生消极影响。假定这种效应是由吸附植物毒性化合物引起的。在275°C的惰性气氛下(缺氧)进行简单的后处理可去除这些物质。因此,原始水炭被放置在垂直管状石英反应器的玻璃片上。氮气流量以方向施加。管通过加热地衣加热至所需温度长达一小时。
热处理的成功很容易通过热重力测量(TG)在空气中进行量化。当温度达到275°C时,确定体重减轻,因为挥发性含量被脱吸。与未经处理的水炭相比,其最终材料的量减少。
两步处理将家庭剩菜(包括用于收集这些垃圾袋的可堆肥袋)转化为碳材料,可作为植物生长促进剂,同时作为减缓气候变化的碳汇。
热液碳化(HTC)是湿、木质纤维素资源废物管理的新兴技术。这项技术被安东尼蒂和蒂蒂里奇重新发现,并应用于松针,松果,橡树叶和橙皮1。因此,生物量被转换成水炭,一种类似于褐煤2、3或泥炭4、5的碳质固体。自那时以来,许多残余原料已经处理,如农用工业废物6,7,8,城市固体废物的有机部分(OFMSW)9,或造纸厂污泥10。该技术还用作生物质预处理热解和气化11。此外,该工艺还提供来自糖或纤维素等均匀可再生资源的现代纳米技术材料。这些先进的材料具有潜在的未来应用,作为电极的充电电池,燃料电池或超电容,气体存储,传感器或药物输送12,13。
水炭是一种碳材料,因此可用作可再生固体燃料,特别是当由具有可变(季节性或区域)成分的低价值异质资源生产时。然而,水炭生产及其在土壤中的应用,而不是立即燃烧,将对减缓气候变化作出三重贡献。首先,选择HTC作为废物管理技术可以避免在堆肥或不受控制的分解过程中排放强大的温室气体甲烷。其次,避免水炭在短时间燃烧后,将其应用于土壤,在较长时间内清除大气中的二氧化碳,即包括真正的碳捕获和储存(CCS)16、17。第三,一般来说,炭土改良土壤是肥沃的土壤(黑土),植物生长增加。18,19这除了保存资源外,还减少了化肥的使用和与生产有关的二氧化碳排放。此外,额外的植物生长从大气中去除更多的二氧化碳。
虽然很明显,在土壤中应用水炭有许多明显的理由,但这种材料却带来不便:原始水炭的作用与热解产生的生物炭不完全一样。水炭不会明显增加植物生长,甚至更糟,经常造成相当负面的影响20,21,22。因此,不鼓励农民应用它,甚至更不花钱。幸运的是,这个缺点可以减轻或消除。最简单的方法是简单地等待第二个种植周期22。此外,洗涤20,21,22,23或共同堆肥24是成功的治疗为此目的。然而,所有这些程序需要时间或产生需要进一步护理的水流。
最近,已经表明,生水炭可以进行软热后处理25。这个程序的目的是简单地去除去不需要的挥发性和有害物质。主要有机物的集中流动可以在原位进行热感。因此,HTC 工厂的能量平衡得到改善,并防止了侧流的任何环境风险。发芽试验表明,在275°C或更高的温度下进行治疗是成功的。
本协议(见图1)涉及两个反应步骤和一个直接的分析方法,用于评估反应结果。 在第一步中,生物量在215°C和21bar压力下在高压灭菌器中转化为原始水炭。在这里,家庭剩剩下被作为起始材料。其中包括各种蔬菜材料,如果皮、果石、不可食用蔬菜零件、咖啡渣、厨房用纸、可堆肥塑料袋等。碳质材料通过过滤收集并干燥。第二步 , 它被放置在垂直管状反应器的玻璃 frit 上 , 以向动方向施加气体流动。将管加热至 275°C 1 小时。所得固体通过空气中的热重力测量 (TG) 进行分析。对高达275°C的材料损失进行了量化,并与未经处理的盐炭观察到的损失进行比较。碳材料可以通过元素分析(C、H、N 和 S)、灰分和灰分(主要是Ca、Al、Si和P)来进一步描述。
热液碳化是一种非常有弹性的方法,它总是提供含碳产物,即水炭。然而,水炭的产量和性质可能会有所不同,不仅由于反应条件或反应控制,而且由于生物量的异质性和变化。例如,木质素含量较高或木质材料较多的木质纤维素生物量,其质量产量和C含量可能更高。
如果需要更高的碳化度(通过元素分析量化),可重新将水炭提交到碳化反应中。或者,在未来的反应反应时间可以延长或反应温度可以增加(谨慎,自生水压随温度呈指数级增长)。
热处理的结果也取决于原料的成分。例如,如果生物量涉及其他有机成分,如植物油,热处理将分离这些挥发性化合物从固体和质量损失将更大。
在本协议中,这两个步骤均以批处理模式执行。对于工业应用,整个生产过程必须以连续模式进行。热液碳化已经作为一个连续的过程26,27进行,但热处理还有待进一步发展。最终目标是将OFMSW转化为具有泥炭特性的碳材料,以便使用泥炭(被认为是化石材料)在农业和园艺中增加,对环境有明显好处,并作为气候的贡献者更改缓解。
The authors have nothing to disclose.
作者感谢欧洲委员会在气候-KIC方案的CharM和AdvCharM下以及西班牙科学、创新和大学部根据”投资-2017-6087-5″的RTC-6087-5获得财政支助。Desarrollo e Orientinciada”社会再计划”和塞韦罗·奥乔亚方案(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) |