JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chimica

Organik ev artıkları bir Peat yerine dönüşümü

Published: July 09, 2019
doi:
10.3791/59569
, , , ,
1Instituto de TecnologÍa QuÍmica (UPV-CSIC),Universitat Politècnica de València-Consejo Superior de Investigaciones CientÍficas, 2Ingelia SL

Summary

Bitkisel gıda atıklarının Otoklav içinde hidrotermal karbonizasyon için bir protokol, 275 °C ‘ de daha sonraki kuru termal tedavi ile uçucu organik maddelerin desorrasyonu sürekli akış reaktöründe sunulmaktadır. Amaç, toprak değişiklik ürünü veya substrat bileşeni olarak uygun bir karbon malzemesi üretmektir.

Abstract

İki adımlı bir prosedür, benzer bir kompozisyon ve özellikleri Peat olarak bir karbon malzemenin sentezini için açıklanmıştır. Üretilen hidrokarakter, bitki büyüyen inhibitör maddeleri kaldırarak Tarımsal uygulamalar için uygun hale gelmiştir. Meyve kabuğu, kahve alanları, yenilebilir bitkisel parçalar veya genel olarak ıslak lignoselülozik malzeme gibi ıslak ev atıkları, 215 °C ‘ de su varlığı ve Otoklav içinde 21 Bar, yani hidrotermal karbonlaştırma ile tedavi edilir. Tüm bu kalanlar 90 ağırlığı% (% WT) kadar önemli bir su içeriği var. Su ekleme gibi fındıklar ve hatta bahçe budama ve compostable polimerler, yani, kalan toplama için plastik çanta gibi kurutan malzemeler için prosedür uzanır.

Genellikle, ortaya çıkan karbon malzemesi, hidrochar denilen, toprak eklendiğinde bitki büyüme üzerinde olumsuz bir etkisi üretir. Bu etki adsorbe fitotoksik bileşiklerin neden olduğu anlamına gelmiştir. 275 °C ‘ de inert atmosfer (oksijen eksikliği) altında basit bir tedavi sonrası bu maddeleri kaldırır. Bu nedenle, ham hidrochar dikey borulu kuvars reaktör bir cam frit yerleştirilir. Aşağı akış yönünde azot gazı akışı uygulanır. Tüp bir saat kadar bir Isıtma manto yoluyla istenilen sıcaklığa ısıtılır.

Termal tedavinin başarısı, havada yürütülen Termogravimetri (TG) ile kolayca ölçülebilir. Uçucu içerikler desoryat olduktan sonra 275 °C sıcaklığına ulaşıldığında kilo kaybı belirlenir. Onun miktarı son malzeme, tedavi edilmemiş hidrochar kıyasla azalır.

İki adımlı tedavi, bitki büyüme organizatör ve aynı zamanda, iklim değişikliği azaltma için bir karbon lavabo olarak hizmet verebilir bir karbon malzeme içine, onların koleksiyonu için istihdam compostable Çantalar dahil olmak üzere ev kalan, dönüştürür.

Introduction

Hidrotermal karbonizasyon (HTC), ıslak, lignoselülozik kaynakların atık yönetimi için gelişmekte olan bir teknolojidir. Bu teknoloji Antonietti ve Titirici tarafından yeniden keşfedilen ve çam iğneler, Çam Konileri, meşe yaprakları ve turuncu peeling1uygulanır. Böylece, biyokütle hidrochar dönüştürülür, linyit benzer bir karbonlu katı2,3 veya turba4,5. O zamandan beri, birçok kalıntı hammadde Agro-endüstriyel atık gibi işlenen6,7,8, belediye katı atık organik fraksiyonu (ofmsw)9, ya da kağıt değirmen çamur10. Teknoloji Ayrıca Piroliz ve gazlaştırma için biyokütle ön olarak kullanılır11. Buna ek olarak, prosedür şeker veya selüloz gibi homojen yenilenebilir kaynaklardan modern nanoteknoloji malzemeleri sağlar. Bu gelişmiş malzemeler, şarj edilebilir piller, yakıt hücreleri veya süper Kondansatörler, gaz depolama, sensörler veya ilaç teslimi için elektrotlar olarak gelecekteki uygulamalar için potansiyele sahip12,13.

Hidrochar bir karbon malzemesidir ve bu nedenle, özellikle düşük değerli, değişken (mevsimlik veya bölgesel) bileşimi ile heterojen kaynaklardan üretilen yenilenebilir katı yakıt olarak kullanılabilir. Ancak, hidrochar üretim ve toprak, onun hemen yanma yerine uygulanması, iklim değişikliği azaltıcı bir Üçlü katkı olacaktır. İlk olarak, atık yönetimi teknolojisi olarak HTC ‘yi seçmek, kompostalama veya kontrollü olmayan ayrışma sırasında güçlü sera gazı metan emisyonunu önler14,15. İkincisi, kısa bir süre sonra hydrochar yanma kaçınarak ve toprağa uygulayarak, daha uzun bir süre için atmosferden karbondioksit kaldırır, yani, gerçek karbon yakalama ve depolama oluşur (CCS)16,17. Üçüncü olarak, genel olarak, Char değiştirilmiş topraklar daha verimli topraklar (siyah topraklar) ve bitki büyümesi artar. 18 , 19 bu, kaynakların korunması yanı sıra gübre kullanımı ve üretim ile ilgili karbondioksit emisyonlarını azaltır. Dahası, ek bitki büyüme atmosferden daha fazla karbondioksit kaldırır.

Toprak hydrochar uygulaması için birçok belirgin argümanlar vardır oldukça açık olmasına rağmen, malzeme bir rahatsızlık içerir: ham hidrochar tam olarak Pyrolysis tarafından üretilen Biochar gibi davranmaz. Hidrochar açıkça bitki büyüme veya daha da kötüsü, sıklıkla oldukça olumsuz etkisi20,21,22neden artar değil. Bu nedenle, çiftçiler bunu uygulamak için teşvik edilmez, ve daha az bunun için para ödemek için. Neyse ki, bu dezavantajı hafifletilmiş veya ortadan kaldırılabilir. En kolay yaklaşım sadece ikinci ekimi döngüsü22beklemek etmektir. Ayrıca yıkanmaları20,21,22,23 veya Co-composting24 bu amaçla başarılı tedaviler vardır. Ancak, tüm bu prosedürler zaman gerektirir veya daha fazla bakım gerektiren bir sulu akış üretmek.

Son zamanlarda, ham hidrochar yumuşak termal sonrası tedavi25tabi olabilir gösterildi. Bu prosedürün amacı, istenmeyen uçucu ve zararlı maddeleri sadece desorb etmektir. Ağırlıklı olarak organik maddenin ortaya çıkan konsantre akışı termal situ içinde valorized olabilir. Bu nedenle, HTC tesisi enerji dengesi geliştirilmiştir ve yan akarsu herhangi bir çevresel risk engellenir. Çimlenme testleri, 275 °C veya daha yüksek sıcaklıklarda gerçekleştirildiğinde tedavinin başarılı olduğunu gösterir.

Mevcut protokol (bkz. Şekil 1) iki reaksiyon adımı ve reaksiyon sonuçlarının değerlendirilmesi için basit bir analitik yöntem içerir. İlk adım sırasında, biyokütle 215 °C ‘ de otoklav ve 21-bar basınçta ham hydrochar ‘a dönüştürülür. Burada, ev artıkları başlangıç malzemesi olarak istihdam edilmektedir. Bu meyve peeling, meyve taşları, yenilebilir sebze parçaları, kahve alanları, mutfak kağıdı, compostable plastik torba, vb gibi bitkisel malzeme her türlü içerir. Karbonlu malzeme filtrasyon ile toplanır ve kurutulur. İkinci adım için, aşağı akış yönünde gaz akışını uygulayan dikey bir boru reaktörü cam frit üzerine yerleştirilir. Tüp 1 saat için 275 °C ‘ ye kadar ısıtılır. Ortaya çıkan katı hava Termogravimetri (TG) tarafından analiz edilir. 275 °C ‘ ye kadar malzeme kaybı ölçülebilir ve tedavi edilmemiş hydrochar ile gözlenen kaybla karşılaştırıldığında. Karbon malzemesi daha fazla Elemental analiz (C, H, N ve S), kül içeriği ve kül bileşimi (özellikle CA, al, si ve P) ile karakterize edilebilir.

Protocol

1. ev artıkları hidrotermal karbonizasyon Reaksiyon karışımı için uygun miktarlarda su ve biyokütle hesaplanması. Reaksiyon karışımı otoklav hacminin yarısını doldurmalıdır. Karışımı yoğunluğu yaklaşık 1 g/mL olduğunu varsayalım ve ağırlığı ile tutarları hesaplayın. Yaklaşık 80 WT% su ve kalan katı madde olmalıdır. Genel su içeriği önemli değildir ve 70 ila 85 WT% arasında değişebilir. Meyve peeling veya yenilebilir bitkisel parçalar gibi mutfaktaki artıkları biyokütle seçin. Bölüm 1 için tam bir kütle dengesini hesaplamak amacıyla, 2 saat veya gece için bir fırında 100 – 105 °C biyokütle bir örnek kurutun. Elde edilen kütle biyokütle katı bir konudur. Alternatif olarak, literatür verilerini kullanın (doğruluk azalır). Ne kadar ıslak biyokütle katı maddenin 20 WT% ile otoklav şarj etmek için gerekli olduğunu hesaplamak ve ne kadar su ile birlikte tanıtıldı olmaktır. Reaktörde istenilen su miktarına ulaşmak için ne kadar su gerektiğini hesaplayın. Otoklav şarj.DIKKAT: otoklav 50 Bar patlama basıncı ile bir rüptürü disk ile sağlanmalıdır. Adım 1.1.3 olarak hesaplanan ve hem otoklav içine tanıtmak biyokütle ve su tartmak. Otoklav kapatın ve 20 bara kadar azot ile basınç. 30 dk. üzerinde basınç kaybı bulunmadığını onaylayın. Bu, geminin herhangi bir sızıntı olmadan düzgün şekilde kapatılmasını sağlar. Basıncı bırakın ve gemiyi tekrar kapatın. Karbonizasyon reaksiyonu. Karıştırmaya geç. Otoklav 30 dakika içinde 215 °C ‘ ye ısıtın ve sıcaklığı en az 4 saat veya bir gecede koruyun. İlk 2 h için basıncı izleyin. Genel olarak, 21 bara kadar su buharı basıncı eğrisi izler. Basınç artmadığında, Isıtma düzgün çalışmıyor ya da gemi düzgün kapalı değildir. Bu durumda, reaksiyonu durdurun ve Isıtma ve sızdırmazlık kontrol edin. Nadir durumlarda, örneğin, biyokütle decarboksilasyon eğilimli ise, maksimum basınç 215 °C ‘ de buhar basıncı nedeniyle 21 bardan 5 ila 10 bar daha yüksek olabilir. Basınç 35 çubuğunu aşarsa, ısıtmaya geçin ve reaksiyonu kesiniz. Oda sıcaklığına kadar soğutulduktan sonra kalan basıncı dikkatle serbest bırakın ve 1.3.1 adımından tekrar başlayın. Ham hidrochar kurtarma. Otoklav doğal soğutma ile oda sıcaklığına kadar soğutulduğunda, herhangi bir kalıntı basıncını dikkatlice bırakın ve otoklav açın. Bir Buchner hunisi ile vakum filtrasyon ile ayrı katı ve sıvı. Sıvı aşamasını tehlikeli laboratuar atıkları arasında sulu çözelti olarak atın. 100 ‘ de bir fırında 2 saat veya bir gecede 105 °C ‘ de katı kurutun. İlk adımın kütle dengesini, yani hidrotermal karbonizasyon (Bölüm 1) hesaplayın. Bunun için, ürünün biyokütle ve kuru ağırlığının kuru ağırlığını dikkate alın. 2. ham hydrochar toplu modunda termal tedavi 1 g kuru ham hidrochar tartım ve bir cam frit üzerine yerleştirin bir tübüler Quartz reaktör (toplu reaktör). 10 ila 20 g gibi daha büyük miktarlarda, 0,2 partikül boyutunda peletlenmiş malzemeyi 6 mm ‘ye kadar kullanın. Aksi takdirde, tercih edilen kanalların oluşumu numunenin homojen tedavisine engel olabilir. Reaktörün Isıtma mantosu yerleştirin ve bir aşağı akış azot akışı bağlayın 20 ml/dak. yoğunlaştırılmış sıvılar toplamak için reaktör çıkışına küçük bir kabı yerleştirin. Soğutma gerekli değildir. Prizden gazlar aspirate ve egzoz onları yürütmek veya bir egzoz kaputu tüm reaktör yerleştirin. 10 derece/dak rampa ile 275 °C sıcaklık reaktörü ısı. 1 h için sıcaklığı koruyun. Oda sıcaklığına tekrar soğutulduğunda, gaz akışının bağlantısını kesin. Nonhalogenated organik kalıntıları için kabı toplanan sıvı atın. Karbon malzemesini kurtarın ve tartın. Bölüm 2 için kütle dengesini hesaplayın, yani termal tedavi, istihdam edilen ve elde edilen kitlelerden ve termal tedavi ve karbonizasyon adımında istihdam edilen kuru biyokütle elde edilen kütlenin genel tepkisi için. 3. son ürünün Termogravimetri (TG) ile Analizi Bir harç ürün Crush ve terazisi 10 mg örnek bir pota aparat. TG cihazının Otomatik Örnekleyici içinde pota yerleştirin ve analiz koşullarını seçin: 600 °c ‘ ye maksimum sıcaklık ve süpürme gazı ve 10 derece/dak sıcaklık rampa olarak istihdam hava ayarlayın. Analizini Başlat. İlk ağırlık ile bu sıcaklıkta gözlenen (bkz. Şekil 2) arasındaki farkı HESAPLAYARAK TG eğrisinde 275 °c ‘ de kitle kaybını ölçmek. Kütle kaybını ilk ağırlığın yüzdesi olarak ifade et. Tedavi edilen ve ham numunelerin değerlerini karşılaştırın. Net bir azalma görülür.

Representative Results

Mevcut protokol iki adımda Tarımsal uygulamalar için uygun hidrochar sağlar (Şekil 1): hidrotermal karbonizasyon, hangi bir termal sonrası tedavi izledi. Karbonlaştırma reaksiyonunda, ıslak lignoselülozik biyokütle karbonlu bir malzemeye dönüştürülür. Reaksiyon başarısı basit görsel muayene ile tespit edilebilir: katı örnek kahverengimsi döndü ve koyu kahverengi renk, daha gelişmiş karbonizasyon reaksiyonu vardır. Karbonizasyon derecesi reaksiyon süresi etkilenir reaksiyon şiddeti, bağlıdır; daha uzun reaksiyon süresi, örneğin bir gecede, optimum reaksiyon sonucu sağlar. Daha yüksek bir karbonizasyon derecesi her zaman daha düşük kütle verimi ile ilişkilidir. Reaksiyon sırasında basınç, 215 °C ‘ de otojen buhar basıncı olan en az 21 bara yükselmeli. Ancak genel olarak, Tablo 1′ de gösterildiği gibi bu değerin ötesinde basınç artar. Reaksiyon basıncı bir şekilde öngörülemeyen ve biyokütle türüne ve bozulma durumuna bağlıdır. Karbon dioksit gibi kalıcı gazların oluşumunun basınç artışından sorumlu olduğu ve reaksiyon sırasında basınç artışının (21 barın Buhar basıncına göre) Otoklav soğutulduktan sonra kaldığı muhtemeldir (Tablo 1 ; düşük sıcaklığa göre ayarlanarak azalır). Artan basınç katı (hammadde gaz karbondioksit dönüştürülür) toplu verim üzerinde olumsuz bir etkiye sahip olabilir, ancak bunun dışında, genel amaca karşı zararlı değildir. Basınç artışı açık bir sınırlama reaksiyon cihazının güvenlik sınırı, örneğin, yırtma diski patlama basıncı. Küçük sızıntılar 21-bar basınç ulaşılamaz nedeni olabilir. Ancak, basınç en az 15 Bar ulaşmalıdır. Karbonizasyon kütlesi verimi% 30 ila 90 WT%, genellikle 50 ila 65 WT% (Tablo 1) arasında geniş bir yelpazede içerir. Kitlesel verim genellikle daha yüksek lignin içeriği ile woodier malzeme için daha yüksektir ve saf şeker polimerleri için daha düşük (polyacetals) nişasta gibi. Örneğin, daha düşük verim yaprakları veya compostable çantalar için gözlenir. Buna ek olarak, reaksiyon şiddeti kitle verimi etkiler. Daha önce de belirtildiği gibi, uzun süreli reaksiyon süreleri daha kısa reaksiyonlar ile elde edilen verimler ile karşılaştırıldığında kitle verimi azaltır. İstenirse, RAW hidrochar elementli analiz tarafından kimyasal olarak karakterize edilebilir26,27. Böylece, karbon içeriği karbonizasyon derecesi göstergesidir. Lignoselülozik biyokütle% 45 WT (kuru ve kül içermeyen [DAF]) bir karbon içeriğine sahiptir. Bu değer 60 veya 65 WT% HTC tarafından yükseltilebilir. Yukarıdaki değerler 65 WT% HTC açısından zaten gelişmiş bir karbonizasyon gösterir. Örneğin veri Tablo 2’ ye bakın. Lignoselülozik biyokütle mevcut protokolde açıklandığı gibi hidrotermal karbonizasyon için “saf numune” olarak istihdam edilebilir. Bu biyokütle belirli bir türde davranış çalışması için özel bir ilgi olabilir. Ancak, uygulamada, biyokütle türlerinin karışımları işlenir. Bu nedenle, bu protokolde bir endüstriyel pilot fabrikasından hidrochar örneği kullanıldı. Bu hidrochar özellikleri Tablo 3özetlenmiştir. Bu protokolün ikinci adımı olan termal sonrası tedavi, 200 ila 300 °C aralığında, 275 °C ‘ de gerekli ve yeterli sıcaklık25olarak farklı sıcaklıklarda gerçekleştirilmiştir. Tablo 4 ‘ ten itibaren sıcaklık 200 ‘ den 250 °c, 275 °c ve 300 °c ‘ ye kadar ve yaklaşık% 90 WT ‘den% 73 WT%, 74 WT% ve 60 WT% ‘ den elde edildiğinde kitle verimi ardışık olarak azalır. Ancak, biyokütle heterojenlik ve mutfak kalan karışımı diğer olası katkılar nedeniyle, bu değer tam olarak yeniden oluşturulabilir değildir ve 275 °C ‘ de tedavi için 70 WT% 80 WT% aralığında değişebilir. Reaktör çıkışının altına yerleştirilen bir kabı ‘da, ayakta iki aşamaya ayrılır: sarı bir alt sulu faz ve bir üst koyu kahverengi organik faz olan kahverengi bir sıvı toplanır. Sıvı için verim 200 ila 300 °C sıcaklık aralığı için% 8 WT% 30 WT% arasında değişir ve 275 °C ‘ de tedavi için% 20wt civarında ortalama (Tablo 4). Termal tedavinin kütle dengesini 100 WT% ulaşmaz görülebilir, ancak 90% 95 WT% kadar toplamları. Belki de oluşumu 5 için 10% wt karbondioksit, dekarboksilasyon tarafından üretilen, boşluk nedeni. Buna ek olarak, su gibi uçucu bileşikler reaksiyon seti ile tamamen yoğunlaştırılmış değildir. Son ürün Zucconi ‘nin Çimlenme testi28tarafından phytotoxicity için analiz edilebilir. Kısacası, tohumlar sulu özler maruz ve kök büyüme üzerindeki etkisi (birkaç gün veya hafta sonra) niceleyilmiş olduğunu. Burada, reaksiyon sonuçlarının hızlı bir şekilde değerlendirilmesi, Termogravimetri (TG) ile analiz edilmesi için basit ve standart bir analiz kullanılmaktadır. Bu nedenle, küçük bir örnek, artan sıcaklıkta (örn. 600 °C ‘ ye kadar) bir hava akışına maruz kalır ve ağırlık azaltma izlenmektedir. Farklı hidrochar örnekleri için tipik TG grafikleri Şekil 2’ de görüntülenir. Ham hidrokarakter için kütle kaybı yaklaşık 200 °C ‘ de başlar ve 300 °C ‘ de neredeyse% 50 ‘ a ulaşır. 2. adımda 200 °C ‘ de tedavi edilen numune için, kitle kaybı 200 °C ‘ de tekrar başlar, ancak 300 °C% 70 ‘ de kalır. 2. adım sırasında daha yüksek sıcaklıkta tedavi edilen numuneler, TG analizi sırasında daha yüksek sıcaklıkta kütlesi kaybetmeye başlar ve yaklaşık% 90 300 °C ‘ de kalır. Bu nedenle, 200 ve 300 °C arasındaki volatillerin kaybını, işlenmemiş hidrochar ile tedavi edilen numuneler için birini karşılaştırırken azaltıldığı görülebilir. Bu uçucu malzemenin eliminasyonu termal tedavinin amacı oldu ve analitik yöntem, başarı belirsizliğini korumayan28olarak doğrular. Miktar için, 275 °C ‘ de kitle kaybı TG grafiği kullanılarak belirlenebilir (Şekil 2). Şekil 3’ te, tüm çubuk tedavi edilmemiş hidrochar numunesi için kitle kaybını sunar (34,6% WT). 200 °C ‘ de tedavi yapıldıktan sonra, belirtilen analitik koşullarda toplam kütle% 17,1 WT ‘dir. Bu, ham hidrochar ile ilgili olarak 17,5 yüzde puanının uçucu içeriğinin azalmasına karşılık gelir. 250, 275 ve 300 °C ‘ de tedavi işleminden sonra, sırasıyla toplam kütlesinde% 6,01, 5,17 ve 4,22 WT%, karşılık gelen kütle kaybı oldu. 200 °C ‘ de tedavinin bu volatilların 50 WT% ‘ sini çıkardığıdır ve 250 °C ‘ de bir tane% 80 WT ‘den fazla kaldırıldı. Daha fazla sıcaklık artışı sadece küçük değişiklikler indüklenir. Şekil 1: protokolün şematik açıklaması.Hane tarafından üretilen lignoselülozik biyokütle kalıntıları, hidrotermal karbonizasyon (HTC) ile su yokluğunda 275 °C ‘ de termal sonrası tedavisinde oluşan bir bitirme sürecine gönderilen ham hidrojene dönüştürülür. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız. Şekil 2: hidrokarakter numunelerinin termogravimetrik analizi.Ham hidrochar ve farklı sıcaklıklarda tedavi numuneleri artan sıcaklıkta havaya maruz kaldığında eğrileri kilo kaybı gösterir. Şekil 3’ teki tedavilerin verimliliklerini karşılaştırmak Için 275 °c ‘ de gözlenen değerler kullanılmıştır. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız. Şekil 3: Termogravimetri ile hydrochar analizi sırasında 275 °C ‘ ye kadar kilo kaybı.Farklı sıcaklıklarda tedavi edilen ham hidrokarakter ve numuneler Termogravimetri (TG) ile incelendi. Tüm çubuk, TG tarafından analiz sırasında 275 °C ‘ ye kadar tedavi edilmemiş hydrochar ‘da ortadan kaldırılmış miktara karşılık gelir (bkz. Şekil 2). Bu miktar hidrochar örneklerinin termal tedavileri ile azaltılabilir: yaklaşık 50 WT%, yani 17,5 yüzde puan, tedavi tarafından 200 °C (mavi renk); 250 °C ‘ de tedavi tarafından başka bir 11,1 yüzde puan (kırmızı renk); tedavi sıcaklığının daha fazla sıcaklık artışı, sırasıyla 275 °C (gri) ve 300 °C (turuncu) tedaviler için 0,84 ve 0,95 yüzde puan gibi minimal efektler gösterir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız. Örnek Nem Su eklendi Toplam su Basınç (sıcak/soğuk) Katı verim (kuru) Katı verim (kuru) Hammadde g [WT%] g [WT%] Bar g [WT%] Meyve artıkları Fıstık kabukları 5,00 8,0 10,1 69,5 22/0 2,28 49 Zeytin taşları 5,10 9,0 10,1 69,5 31/9 2,55 55 Kayısı çekirdeği 8,74 11,5 3,33 35,9 26/13 2,56 33 Erik taşları 4,95 33,6 10,2 78,3 28/9 2,11 64 Kiraz taşları 7,61 45,8 4,03 64,6 30/10 2,62 64 Nispero taşları 10,7 53,0 2,41 61,6 40/14 2,57 51 Nektarin taşları 9,65 48,6 5,44 67,1 27/10 3,30 67 Muz derisi 15,2 89,0 2,27 90,4 25/9 0,93 56 Kavun derisi 16,1 87,4 2,32 89,0 24/8 0,64 32 Ananas çekirdeği 15,5 86,1 2,15 87,8 26/9 1,30 60 Sebze artıkları, bitkiler ve herbase malzeme Palmiye yaprakları 12,6 55,1 2,17 61,7 42/17 4,95 87 Palmiye ağacı 15,0 78,5 2,11 81,2 23/4 1,47 45 Ananas yaprakları 15,4 78,4 1,74 80,6 21/8 1,00 30 Kahve alanı 10,8 60,9 5,08 73,4 20/9 2,73 65 Artishoke yaprakları 15,1 80,2 2,18 82,7 31/9 1,53 51 Marul yaprakları 15,3 91,3 1,77 92,2 20/5 0,39 29 Calçot yaprakları 15,0 72,7 2,80 77,0 29/11 1,54 38 Fasulye Kapsüller 15,1 82,6 2,30 84,9 31/4 1,43 55 Çanta Günlük kullanım için kombe edilebilir çanta 5,01 0 10,0 66,7 20/4 2,08 42 Çanta, Kompost için 2,50 0 5,00 66,7 16/3 0,92 37 (Kahve alanı ile) 5,56 31,4 8,05 72,0 26/7 1,19 31 Tablo 1: hidrotermal karbonizasyon için deneysel veriler.Elde edilen hidrokarakter reaksiyonları ve verimi için kullanılan katı madde ve su miktarları. Basınç değeri, 215 °C (sıcak) ile ısıtıldığında ve otoklav oda sıcaklığına (soğuk) soğutulduktan sonra gözlenen maksimum basıncı gösterir. C (DAF) H (DAF) N (DAF) S (DAF) Hammadde [WT%] [WT%] [WT%] [WT%] Meyve artıkları Fıstık kabukları 68,0 4,66 0,34 0,00 Zeytin taşları 70,0 5,97 0,81 0,00 Kayısı çekirdeği 68,6 6,16 2,21 0,00 Erik taşları 69,8 6,44 1,48 0,01 Kiraz taşları 67,4 5,52 1,13 0,00 Nispero taşları 67,1 5,47 1,90 0,03 Nektarin taşları 68,8 5,39 0,88 0,04 Muz derisi 71,7 6,41 2,91 0,06 Kavun derisi 69,1 6,24 2,56 0,08 Ananas çekirdeği 68,3 5,33 1,54 0,02 Sebze artıkları, bitkiler ve herbase malzeme Palmiye yaprakları 63,7 6,47 2,65 0,20 Palmiye ağacı 63,2 6,09 2,02 0,03 Ananas yaprakları 60,0 6,52 2,24 0,11 Kahve alanı 66,8 6,63 3,54 0,17 Artishoke yaprakları 63,2 5,77 3,28 0,13 Marul yaprakları 57,8 6,09 3,48 0,18 Calçot yaprakları 63,9 5,82 3,79 0,55 Fasulye Kapsüller 68,0 6,17 4,18 0,14 Çanta Günlük kullanım için kombe edilebilir çanta 56,8 5,15 0,09 0 Çanta, Kompost için 61,1 5,38 0,09 0 (Kahve alanı ile) 60,5 5,57 2,56 0 Tablo 2: hidrochar örneklerinin Elemental analizi. Özellik Birim Değer Kül içeriği (Kuru bazlı; 815 °C) [WT%] 12,9 Volatiles (Kuru bazlı; 900 °C) [WT%] 66,4 Sabit karbon (Kuru bazlı) [WT%] 20,8 C (DAF) [WT%] 66,1 H (DAF) [WT%] 7,4 N (DAF) [WT%] 3,0 S (DAF) [WT%] 0,2 Tablo 3: termal tedaviler28’ de kullanılan hidrochar numunesi için kısmi analiz ve Elemental analiz. Verim Verim İlk kütle (hidrochar) Sıcaklık Son kütle (hidrochar) kütle sıvı Af TESISININ kütle dengesi verim katı verim sıvı Af TESISININ Giriş g °C g g g g [%] [WT%] [WT%] [WT%] [WT%] 1 15,3 275 11,0 3,14 0,125 3,02 92,2 71,7 20,5 0,82 19,7 2 20,5 275 15,6 3,82 0,74 3,05 94,4 75,8 18,6 3,61 14,9 3 30,7 275 22,5 6,79 1,01 5,78 95,6 73,5 22,1 3,29 18,8 4 15,7 200 13,7 1,27 0,26 1,01 95,8 87,7 8,10 1,66 6,44 5 15,3 250 11,2 3,27 0,25 3,02 94,5 73,2 21,3 1,63 19,7 6 15,0 300 9,07 4,46 0,593 3,87 90,1 60,4 29,7 3,95 25,8 7a 15,3 275 11,8 1,79 1,02 0,77 88,9 77,2 11,7 6,68 5,05 a yapılan hidrochar yerine OFMSW Bahçe prunings üretilen. Tablo 4: termal tedavilerden deneysel veriler.Reaksiyondan sonra, bir katı ve bir sıvı kurtarılır. Sıvı bir sulu (AF) ve organik bir fraksiyonuna (OF) ayakta üzerine ayrılır. Kayıp miktar kalıcı gaz oluşumu, örneğin, karbondioksit ve su gibi uçucu maddenin tamamlanmamış yoğuşma atfedilir.

Discussion

Hidrotermal karbonlaştırma çok esnek bir yöntemdir ve her zaman karbonlu bir ürün, yani hidrochar sağlar. Ancak, verim ve hydrochar özellikleri değişebilir, sadece reaksiyon koşulları veya reaksiyon kontrolü nedeniyle, ancak bunun yerine heterojenite ve biyokütle varyasyonu nedeniyle. Örneğin, yüksek lignin içeriği veya odunsu malzemelerle lignoselülozik biyokütle için kütle verimi ve C içeriği daha yüksek olabilir.

Daha yüksek bir karbonizasyon derecesi (Elemental analiz ile nicelik) istendiği durumda, hydrochar karbonizasyon reaksiyonuna yeniden gönderilebilir. Alternatif olarak, gelecekteki reaksiyonlarda reaksiyon süresi uzun süre olabilir veya reaksiyon sıcaklığı artırılabilir (dikkat, otojen su basıncı sıcaklığa katlanarak artar).

Termal tedavinin sonucu da hammadde bileşimine bağlıdır. Örneğin, biyokütle bitkisel yağ gibi diğer organik bileşenleri içeriyorsa, termal tedavi, bu uçucu bileşiklerin katı ve kitle kaybına karşı daha büyük olacağını ayıracaktır.

Bu protokolde, her iki adım da toplu modda gerçekleştirilir. Endüstriyel uygulama için tüm üretim sürecinin sürekli modda gerçekleştirilmesi gerekir. Hidrotermal karbonlaştırma zaten sürekli bir süreç olarak gerçekleştirilir26,27, ama termal tedavi hala daha fazla geliştirilmelidir. Son amaç, ofmsw ‘yi turba özellikleri ile karbonlu bir malzemeye dönüştürmek, böylece tarım ve bahçecilik alanında çevre için net faydalar ve İklim katkılarına sahip olan turba (fosil malzeme olarak kabul edilir) artar. azaltma değişikliği.

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Yazarlar Iklim-KIC programının CharM ve AdvCharM altında Avrupa Komisyonu alınan mali destek için minnettar ve RTC-2017-6087-5 altında Ispanyolca bilim, yenilik ve üniversiteler Bakanlığı “soruşturma, Desarrollo e Innovacion Orientada a Los Retos de la Sociedad “programı ve Severo Ochoa programı (SEV-2016-0683).

Materials

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)
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  1. Titirici, M. M., Thomas, A., Yu, S. H., Mueller, J. O., Antonietti, M. A. Direct Synthesis of Mesoporous Carbons with Bicontinuous Pore Morphology from Crude Plant Material by Hydrothermal Carbonization. Chemistry of Materials. 19 (17), 4205-4212 (2007).
  2. Düdder, H., Wütscher, A., Stoll, R., Muhler, M. Synthesis and characterization of lignite-like fuels obtained by hydrothermal carbonization of cellulose. Fuel. 171, 54-58 (2016).
  3. Funke, A., Ziegler, F. Hydrothermal carbonization of biomass: a summary and discussion of chemical mechanisms for process engineering. Biofuels, Bioproducts and Biorefining. 4 (2), 160-177 (2010).
  4. Titirici, M. M., Thomas, A., Antonietti, M. Back in the black: Hydrothermal carbonization of plant material as an efficient chemical process to treat the CO2 problem?. New Journal of Chemistry. 31 (6), 787-789 (2007).
  5. Gruda, N. Current and future perspective of growing media in Europe. Acta Horticulturae. 960, 37-43 (2012).
  6. Benavente, V., Calabuig, E., Fullana, A. Upgrading of moist agro-industrial wastes by hydrothermal carbonization. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 113, 89-98 (2015).
  7. Volpe, M., et al. One stage olive mill waste streams valorisation via hydrothermal carbonisation. Waste Management. 80, 224-234 (2018).
  8. Sabio, E., Álvarez-Murillo, A., Román, S., Ledesma, B. Conversion of tomato-peel waste into solid fuel by hydrothermal carbonization: Influence of the processing variables. Waste Management. 47, 122-132 (2016).
  9. Lucian, M., et al. Impact of hydrothermal carbonization conditions on the formation of hydrochars and secondary chars from the organic fraction of municipal solid waste. Fuel. 233, 257-268 (2018).
  10. Mäkelä, M., Forsberg, J., Söderberg, C., Larsson, S. H., Dahl, O. Process water properties from hydrothermal carbonization of chemical sludge from a pulp and board mill. Bioresource Technology. 263, 654-659 (2018).
  11. Ulbrich, M., Preßl, D., Fendt, S., Gaderer, M., Spliethoff, H. Impact of HTC reaction conditions on the hydrochar properties and CO2 gasification properties of spent grains. Fuel Processing Technology. 167, 663-669 (2017).
  12. Hu, B., et al. Engineering carbon materials from the hydrothermal carbonization process of biomass. Advanced Materials. 22 (7), 813-828 (2010).
  13. Sevilla, M., Fuertes, A. B., Rezan, D. C., Titirici, M. M. Applications of Hydrothermal Carbon in Modern Nanotechnology. Sustainable Carbon Materials from Hydrothermal Processes. , 213-294 (2013).
  14. Sánchez, A., et al. Greenhouse gas emissions from organic waste composting. Environmental Chemistry Letters. 13 (3), 223-238 (2015).
  15. Andersen, J. K., Boldrin, A., Christensen, T. H., Scheutz, C. Greenhouse gas emissions from home composting of organic household waste. Waste Management. 30 (12), 2475-2482 (2010).
  16. Owsianiak, M., Brooks, J., Renz, M., Laurent, A. Evaluating climate change mitigation potential of hydrochars: compounding insights from three different indicators. GCB Bioenergy. 10, 230-245 (2018).
  17. Lorenz, K., Lal, R. Biochar application to soil for climate change mitigation by soil organic carbon sequestration. Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 177 (5), 651-670 (2014).
  18. Solomon, D., et al. Indigenous African soil enrichment as a climate-smart sustainable agriculture alternative. Frontiers in Ecology and the Environment. 14 (2), 71-76 (2016).
  19. Glaser, B., Haumaier, L., Guggenberger, G., Zech, W. The “Terra Preta” phenomenon: a model for sustainable agriculture in the humid tropics. Naturwissenschaften. 88 (1), 37-41 (2001).
  20. Fornes, F., Belda, R. M. Acidification with nitric acid improves chemical characteristics and reduces phytotoxicity of alkaline chars. Journal of Environmental Management. 191, 237-243 (2017).
  21. Fornes, F., Belda, R. M., Fernández de Córdova, P., Cebolla-Cornejo, J. Assessment of biochar and hydrochar as minor to major constituents of growing media for containerized tomato production. Journal of the Science of Food and Agriculture. 97 (11), 3675-3684 (2017).
  22. Busch, D., Kammann, C., Grünhage, L., Müller, C. Simple biotoxicity tests for evaluation of carbonaceous soil additives: Establishment and reproducibility of four test procedures. Journal of Environmental Quality. 41 (4), 1023-1032 (2012).
  23. Dalias, P., Prasad, M., Mumme, J., Kern, J., Stylianou, M., Christou, A. Low-cost post-treatments improve the efficacy of hydrochar as peat replacement in growing media. Journal of Environmental Chemical Engineering. 6 (5), 6647 (2018).
  24. Busch, D., Stark, A., Kammann, C. I., Glaser, B. Genotoxic and phytotoxic risk assessment of fresh and treated hydrochar from hydrothermal carbonization compared to biochar from pyrolysis. Ecotoxicology and Environmental Safety. 97, 59 (2013).
  25. Hitzl, M., Mendez, A., Owsianiak, M., Renz, M. Making hydrochar suitable for agricultural soil: A thermal treatment to remove organic phytotoxic compounds. Journal of Environmental Chemical Engineering. 6 (6), 7029-7034 (2018).
  26. Hitzl, M., Corma, A., Pomares, F., Renz, M. The hydrothermal carbonization (HTC) plant as a decentral biorefinery for wet biomass. Catalysis Today. 257 (P2), 154-159 (2015).
  27. Burguete, P., et al. Fuel and chemicals from wet lignocellulosic biomass waste streams by hydrothermal carbonization. Green Chemistry. 18 (4), 1051-1060 (2016).
  28. Zucconi, F., Monaco, A., Forte, M., De Bertoldi, M. Phytotoxins during the stabilization of organic matter. Composting of Agricultural and Other Wastes. , (1985).

Tags

Organic WastePeat SubstituteHydrothermal CarbonizationBiomassKitchen LeftoversCarbonization ReactionHydrocharSolid FuelClimate Change MitigationCarbon Capture And StorageFossil Fertilizer Savings

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
Hernández-Soto, M. C., Hernández-Latorre, M., Oliver-Tomas, B., Ponce, E., Renz, M. Transformation of Organic Household Leftovers into a Peat Substitute. J. Vis. Exp. (149), e59569, doi:10.3791/59569 (2019).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image