Um protocolo para a carbonização hidrotermal do desperdício do alimento vegetal em uma autoclave é apresentado, com tratamento térmico seco subseqüente em 275 ° c em um reator contínuo do fluxo que desorbing substâncias orgânicas voláteis. O objetivo é produzir um material de carbono adequado como produto de alteração de solo ou componente de substrato.
Um procedimento de duas etapas é descrito para a síntese de um material de carbono com uma composição semelhante e propriedades como turfa. O hidrocarvão produzido é feito apropriado para aplicações agriculturais removendo as substâncias inibitórias crescentes da planta. Os resíduos domésticos molhados, como cascas de frutas, borras de café, partes vegetais não comestíveis ou material lignocelulóico úmido em geral, são tratados em presença de água a 215 ° c e 21 bar em autoclave, ou seja, por carbonização hidrotermal. Todas essas sobras têm um considerável teor de água de até 90% de peso (WT%). Adicionar a água estende o procedimento aos materiais mais secos tais como nozes ou mesmo prunings do jardim e polímeros compostáveis, isto é, o saco de plástico para a coleção das sobras.
Geralmente, o material resultante do carbono, chamado hydrochar, produz um efeito negativo no crescimento de planta quando adicionado ao solo. Supõe-se que este efeito é causado por compostos fitotóxicos adsorvedos. Um simples pós-tratamento atmosfera inerte (ausência de oxigénio) a 275 ° c remove estas substâncias. Conseqüentemente, o hidrocarvão cru é coloc em um frita de vidro de um reator tubular vertical do quartzo. Um fluxo do gás do nitrogênio é aplicado na direção do baixo-fluxo. O tubo é aquecido à temperatura desejada por meio de um manto de aquecimento por até uma hora.
O sucesso do tratamento térmico é facilmente quantificado por Termogravimetria (TG), realizada no ar. Uma perda de peso é determinada quando a temperatura de 275 ° c é alcançada, uma vez que o conteúdo volátil é desorbed. Sua quantidade é reduzida no material final, em comparação com o hydrochar não tratado.
O tratamento em duas etapas converte as sobras domésticas, incluindo sacos compostáveis empregados para sua coleta, em um material de carbono que pode servir como promotor de crescimento vegetal e, ao mesmo tempo, como um dissipador de carbono para a mitigação das mudanças climáticas.
A carbonização hidrotérmica (HTC) é uma tecnologia emergente para a gestão de resíduos de recursos úmidos e lignocelulóicos. Esta tecnologia foi redescoberta por Antonietti e Titirici e aplicada a agulhas de pinheiro, cones de pinheiro, folhas de carvalho e cascas de laranja1. Dessa forma, a biomassa é convertida em hydrochar, um sólido carbonáceo semelhante ao lignite2,3 ou turfa4,5. Desde então, muitas matérias-primas residuais têm processado como resíduos agroindustriais6,7,8, a fração orgânica de resíduos sólidos municipais (ofmsw)9, ou lodo de moinho de papel10. A tecnologia também é usada como pré-tratamento de biomassa para pirólise e gaseificação11. Além disso, o procedimento fornece materiais modernos de nanotecnologia de recursos renováveis homogêneos, como açúcares ou celulose. Estes materiais avançados têm potencial para aplicações futuras como eletrodos para baterias recarregáveis, células de combustível ou supercapacitadores, armazenamento de gás, sensores ou entrega de medicamentos12,13.
O hydrochar é um material de carbono e, como tal, pode ser usado como combustível sólido renovável, especialmente quando produzido a partir de recursos heterogêneos de baixo valor, com composição variável (sazonal ou regional). No entanto, a produção de hidrochar e sua aplicação no solo, em vez de sua combustão imediata, terão uma tripla contribuição para a mitigação das mudanças climáticas. Primeiramente, escolhendo HTC como a tecnologia waste da gerência evita a emissão do metano poderoso do gás da estufa durante aduing ou decomposição descontrolada14,15. Segundo, evitando a combustão de hidrocarvão após um curto período de tempo e aplicando-o ao solo, remove o dióxido de carbono da atmosfera por um período de tempo mais longo, isto é, consiste na captação e no armazenamento reais do carbono (CCS)16,17. Em terceiro lugar, em geral, os solos alterados de Char são solos mais férteis (solos negros) e o crescimento das plantas é aumentado. 18 anos de , 19 isso reduz o uso de fertilizantes e as emissões de dióxido de carbono relacionadas à sua produção, além de preservar recursos. Além disso, o crescimento vegetal adicional remove mais dióxido de carbono da atmosfera.
Embora seja bastante claro que há muitos argumentos evidentes para a aplicação de hidrocarvão ao solo, o material envolve um inconveniente: hidrocarvão cru não se comporta exatamente como biochar que é produzido por pirólise. Hydrochar não aumenta claramente o crescimento da planta ou ainda pior, freqüentemente provoca um efeito bastante negativo20,21,22. Portanto, os agricultores não são incentivados a aplicá-lo, e ainda menos para pagar dinheiro para ele. Felizmente, essa desvantagem pode ser atenuada ou eliminada. A abordagem mais fácil é simplesmente aguardar o segundo ciclo de cultivo22. Também as lavagens20,21,22,23 ou a co-compostagem24 são tratamentos bem sucedidos para esta finalidade. No entanto, todos estes procedimentos requerem tempo ou produzem um fluxo aquoso que necessitam de cuidados adicionais.
Recentemente, mostrou-se que o hidrocarvão cru pode ser sujeitado a um borne-tratamento térmico macio25. O objetivo deste procedimento é simplesmente de as substâncias voláteis indesejáveis e prejudiciais. O fluxo concentrado resultante de principalmente matéria orgânica pode ser valorizado termicamente in situ. Como tal, o equilíbrio energético da planta HTC é melhorado e qualquer risco ambiental do fluxo lateral é impedido. Os testes de germinação mostram que o tratamento é bem-sucedido quando realizado a temperaturas de 275 ° c ou superior.
O presente protocolo (ver Figura 1) envolve duas etapas de reação e um método analítico direto para a avaliação do desfecho da reação. Durante a primeira etapa, a biomassa é convertida em hidrocarvão cru em uma autoclave em 215 ° c e em uma pressão de 21 barras. Aqui, as sobras domésticas são empregadas como material de partida. Estes incluem todos os tipos de material vegetal, tais como cascas de frutas, pedras de frutas, peças vegetais não comestíveis, terrenos de café, papel de cozinha, sacos de plástico compostáveis, etc. O material carbonáceo é coletado pela filtração e secado. Para a segunda etapa, é coloc em um frita de vidro de um reator tubular vertical que aplica o fluxo do gás em uma direção descendente do fluxo. O tubo é aquecido a 275 ° c por 1 h. O sólido resultante é analisado por Termogravimetria (TG) no ar. A perda de material até 275 ° c é quantificada e comparada com a perda observada com o hydrochar não tratado. O material de carbono pode ser caracterizado ainda pela análise elementar (C, H, N e S), teor de cinzas e composição de cinzas (principalmente CA, Al, si e P).
A carbonização hidrotérmica é um método muito resiliente e sempre fornece um produto carbonáceo, ou seja, o hydrochar. Entretanto, o rendimento e as propriedades do hidrocarvão puderam variar, não somente devido às condições da reação ou ao controle da reação, mas rather à heterogeneidade e à variação da biomassa. Por exemplo, o rendimento em massa e o teor de C podem ser mais elevados para a biomassa lignocelulóica com um teor de lignina mais elevado ou materiais lenhosas.
No caso de se desejar um grau de carbonização maior (quantificado por análise elementar), o hidrocarvão pode ser reenviado para a reação de carbonização. Alternativamente, em reações futuras o tempo de reação pode ser prolongado ou a temperatura da reação pode ser aumentada (cuidado, a pressão de água autógena aumenta exponencialmente com temperatura).
O resultado do tratamento térmico também depende da composição da matéria-prima. Por exemplo, se a biomassa envolve outros componentes orgânicos, como o óleo vegetal, o tratamento térmico irá separar esses compostos voláteis da perda de massa e sólida será maior.
No presente protocolo, ambas as etapas são executadas no modo de lote. Para a aplicação industrial, todo o processo de produção tem de ser realizado em modo contínuo. A carbonização hidrotermal já é realizada como um processo contínuo26,27, mas o tratamento térmico ainda tem de ser desenvolvido mais. O objetivo final é converter o OFMSW em um material carbonáceo com propriedades de turfa para que o emprego de turfa (considerado um material fóssil) Aumente na agricultura e na horticultura com benefícios claros para o meio ambiente e como contribuinte para o clima mitigação da mudança.
The authors have nothing to disclose.
Os autores são gratos pelo apoio financeiro recebido da Comissão Europeia o encanto e AdvCharM do programa Climate-KIC e do Ministério espanhol da ciência, inovação e universidades RTC-2017-6087-5 do Investigación, Programa Desarrollo e Innovacion orientada a los retos de la Sociedad “e no âmbito do programa Severo Ochoa (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) |