Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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).
Protocol
1. hydrotermisk karbonisering av husholdnings rester
- Beregning av passende mengder vann og biomasse til reaksjonsblandingen.
- Reaksjonsblandingen må fylle halve autoklav volum. Anta at tettheten av blandingen er omtrent 1 g/mL og beregne beløpene etter vekt. Omtrent 80 vekt% bør være vann og resten solid saken. Samlet vanninnhold er ikke avgjørende, og kan variere fra 70 til 85 vekt%.
- Velg biomasse fra kjøkken rester som frukt skreller eller uspiselige vegetabilske deler. Med sikte på å beregne en eksakt massebalanse for del 1, tørk et utvalg av biomasse ved 100 – 105 ° c i ovnen for 2 t eller over natten. Den oppnådde massen er solid materie av biomasse. Alternativt kan du bruke litteraturdata (nøyaktigheten reduseres).
- Beregn hvor mye våt biomasse er nødvendig for å lade autoklav med 20 vekt% av solid materie og hvor mye vann skal innføres sammen med den. Beregn hvor mye vann som kreves for å nå ønsket vannmengde i reaktoren.
- Lading av autoklav.
FORSIKTIG: autoklav må være utstyrt med en brudd plate med et burst-Trykk på 50 bar.- Veie biomasse og vann som beregnes i trinn 1.1.3 og innføre både i autoklav.
- Lukk autoklav og pressurize den med nitrogen opp til 20 bar. Bekreft at det ikke er noe trykk tap over 30 min. Dette sikrer at fartøyet er ordentlig lukket uten lekkasjer. Løsne trykket og Lukk fartøyet igjen.
- Karbonisering reaksjon.
- Slå på omrøring. Varm opp autoklav til 215 ° c innen 30 min og oppretthold temperaturen i minst 4 timer eller over natten.
- Overvåk trykket for de første 2 h. Generelt, følger det damp trykks kurven av vann opp til 21 bar. Hvis trykket ikke øker, er enten oppvarmingen ikke fungerer som den skal, eller fartøyet er ikke lukket på riktig måte. Hvis dette skjer, stopp reaksjonen og sjekk oppvarming og tetting.
- I sjeldne tilfeller, f. eks, hvis biomasse er utsatt for dekarboksylering, kan det maksimale trykket være 5 til 10 bar høyere enn 21 bar forårsaket av Damptrykk ved 215 ° c. Hvis trykket overstiger 35 bar, slå av oppvarming og avbryte reaksjonen. Etter at den har kjølt ned til romtemperatur forsiktig slipper gjenværende trykk og starte på nytt fra trinn 1.3.1.
- Gjenvinning av rå hydrochar.
- Når autoklav er avkjølt til romtemperatur ved naturlig kjøling, frigjør du eventuelt gjenværende trykk og åpner autoklav.
- Skill fast og flytende ved vakuum filtrering med en Buchner trakt. Kasser væskefasen som vandig oppløsning blant farlig laboratorie avfall.
- Tørk fast ved 100 til 105 ° c i en ovn for 2 t eller over natten. Beregn massebalansen i det første trinnet, det vil si hydrotermisk karbonisering (del 1). For dette, ta hensyn til tørr vekt av biomasse og tørr vekt av produktet.
2. termisk behandling av rå hydrochar i batch-modus
- Veie 1 g tørr rå hydrochar og legg den på et glass frit av en rørformede kvarts reaktor (batch reaktor).
- For større mengder, for eksempel 10 til 20 g, bruk eteres materiale med en partikkelstørrelse på 0,2 til 6 mm. ellers kan forekomsten av foretrukne kanaler hindre homogen behandling av prøven.
- Plasser varme kappe av reaktoren og koble en ned-Flow nitrogen strøm på 20 mL/min. Plasser et lite beger under reaktor uttaket for å samle inn kondensert væske. Kjøling er ikke nødvendig.
- Aspirer gasser ved utløpet og gjennomføre dem til eksos eller plassere hele reaktoren i en avtrekks hette. Varm reaktoren til 275 ° c med en rampe på 10 grader/min. Oppretthold temperaturen for 1 time.
- Når du kjøles ned til romtemperatur igjen, kobler du fra gass strømmen. Kast væsken som samles i begeret, til nonhalogenated organiske rester. Gjenopprette karbonmateriale og veie den. Beregn massen balanse for § 2, det vil si termisk behandling, fra massene ansatt og innhentet, og for den samlede reaksjonen fra massen innhentet i termisk behandling og tørr biomasse ansatt i karbonisering trinn.
3. analyse av sluttproduktet ved thermogravimetry (TG)
- Knus produktet i en mørtel og veie en 10 mg prøve i en smeltedigel av apparatet.
- Plasser smeltedigel i autosampler i TG-apparatet og velg analyse betingelsene: Juster maksimumstemperaturen til 600 ° c og sysselsetter luften som feie gass og en temperatur rampe på 10 grader/min.
- Start analysen.
- Kvantifisere masse tapet ved 275 ° c i TG-kurven ved å beregne forskjellen mellom opprinnelig vekt og som observert ved denne temperaturen (se figur 2). Uttrykke masse tapet som prosent av den opprinnelige vekten. Sammenlign verdiene for behandlede og råvare prøver. En klar reduksjon er observert.
Representative Results
Den nåværende protokollen gir hydrochar egnet for landbruks applikasjoner i to trinn (figur 1): hydrotermisk karbonisering, som etterfølges av en termisk post-behandling. I den karbonisering reaksjonen omdannes våt lignocelluloseholdige biomasse til et karbonrike materiale. Suksessen av reaksjonen kan bestemmes ved enkel visuell inspeksjon: den solide prøven må ha slått brun, og mørkere den brune fargen, jo mer avanserte karbonisering reaksjonen. Karbonisering grad avhenger av reaksjonen alvorlighetsgrad, som kan bli påvirket av reaksjonstiden; en lengre reaksjonstid, for eksempel over natten, sikrer et optimalt reaksjons utfall. En høyere karbonisering grad er alltid knyttet til en lavere masse utbytte.
Trykket under reaksjonen har å øke til minst 21 bar, som er det autogen damptrykket ved 215 ° c. Men generelt trykket øker utover denne verdien som vist i tabell 1. Reaksjons trykket er en eller annen måte uforutsigbar og avhenger av hva slags biomasse og dens tilstand av fornedrelse. Det er sannsynlig at dannelsen av permanente gasser, slik som karbondioksid er ansvarlig for Trykk økningen og TRYKKØKNING under reaksjonen (med hensyn til damptrykket på 21 bar) gjenstår etter avkjøling av autoklav (tabell 1 ; redusert ved justering til lavere temperatur). Det økte trykket kan ha en negativ effekt på masse utbyttet av den solide (råmateriale omdannes til gass karbondioksid), men bortsett fra dette, er det ikke skadelig for det overordnede målet. En klar begrensning av trykk økningen er sikkerhetsgrensen for reaksjons apparatet, for eksempel burst-trykket til brudd platen. Små lekkasjer kan være grunnen til at 21-bar trykket ikke er nådd. Imidlertid bør trykket nå minst 15 bar.
Karbonisering masse utbytte innebærer et bredt spekter fra 30 til 90 WT%, vanligvis fra 50 til 65 vekt% (tabell 1). Mass yield er vanligvis høyere for woodier materiale med en høyere lignin innhold og lavere for ren sukker polymerer (polyacetalprodukter) som stivelse. For eksempel er lavere avkastning observert for blader eller komposterbar poser. I tillegg påvirker alvorlighetsgraden massen yield. Som allerede nevnt, forlenget reaksjonstid redusere massen yield i forhold til rentene oppnådd ved kortere reaksjoner.
Hvis ønskelig, kan den rå hydrochar karakteriseres kjemisk av elementær analyse26,27. Derved er det karbon innholdet indikasjon på karbonisering grad. Lignocelluloseholdige biomasse har et karboninnhold (på tørt og aske fritt grunnlag [DAF]) på 45 WT%. Denne verdien kan økes til 60 eller 65 vekt% av HTC. Verdier over 65 WT% indikerer en allerede avansert karbonisering i form av HTC. For eksempel data se tabell 2.
Den lignocelluloseholdige biomasse kan anvendes som "rene prøver" for hydrotermisk karbonisering som beskrevet i denne protokollen. Dette kan være av spesiell interesse for studiet av atferden til en bestemt type biomasse. Men i praksis, blandinger av biomasse typer er behandlet. Derfor, i den nåværende protokollen, ble det benyttet et utvalg av hydrochar fra et industrielt pilotanlegg. Egenskapene til denne hydrochar er oppsummert i tabell 3.
Den termiske post-behandling, det andre trinnet i denne protokollen, ble utført ved forskjellige temperaturer, i størrelsesklasse 200 til 300 ° c, 275 ° c er den nødvendige og tilstrekkelig temperatur25. Fra Tabell 4 kan det sees at masse utbyttet synker suksessivt når temperaturen heves fra 200 til 250 ° c, 275 ° c og 300 ° c, og fra nesten 90 WT% til 73 WT%, 74 WT% og 60 WT%, henholdsvis. Men på grunn av heterogenitet av biomasse, og andre mulige bidrag fra kjøkkenet leftover mix, er denne verdien ikke fullt reproduserbar og kan variere i området fra 70 vekt% til 80 vekt% for behandling ved 275 ° c.
I et beger som er plassert under reaktor uttaket, blir en brun væske samlet inn, som skiller seg i to faser ved stående: en gul lavere vandig fase og en øvre mørk brun organisk fase. Avkastningen for væsken varierer fra 8 vekt% til 30 vekt% for temperaturområdet fra 200 til 300 ° c, og gjennomsnitt rundt 20wt% for behandling ved 275 ° c (Tabell 4).
Det kan sees at massen balanse av termisk behandling ikke nå 100 vekt%, men oppsummerer opptil 90 til 95 vekt%. Kanskje dannelsen av 5 til 10 vekt% av karbondioksid, produsert av dekarboksylering, er årsaken til gapet. I tillegg er flyktige forbindelser som vann ikke kondensert helt med reaksjons oppsettet.
Det endelige produktet kan analyseres for sin phytotoxicity av Zucconi ' s spire test28. I korte trekk er frø utsatt for Vandige ekstrakter og effekten på rot veksten er kvantifisert (etter flere dager eller uker). Her er en enkel standard analyse benyttet for en rask evaluering av reaksjons utfallet, nemlig analyse av thermogravimetry (TG). Et lite utvalg utsettes for en luftstrøm ved økende temperatur (f.eks. opp til 600 ° c) og Vektreduksjonen overvåkes.
Typiske TG-grafer for forskjellige hydrochar prøver vises i figur 2. Masse tapet for den rå hydrochar starter ved ca. 200 ° c og når nesten 50% ved 300 ° c. For prøven behandlet ved 200 ° c i trinn 2, starter masse tapet igjen ved 200 ° c, men ved 300 ° c 70% gjenstår. Prøvene behandlet ved høyere temperatur i trinn 2 begynner å miste masse under TG analyse ved høyere temperatur og ca 90% forblir ved 300 ° c. Derfor kan det bli sett at tap av flyktige mellom 200 og 300 ° c reduseres ved sammenligning av en for de behandlede prøvene med rå hydrochar. Eliminering av dette flyktige materialet var målet for termisk behandling og den analytiske metoden bekrefter det suksess entydig28.
For kvantifisering kan masse tapet ved 275 ° c fastslås ved hjelp av TG-grafen (figur 2). I Figur 3presenterer hele baren masse tapet for ubehandlet hydrochar prøven (34,6 WT%). Etter behandlingen ved 200 ° c var masse tapet 17,1 vekt% av total massen under de spesifiserte analytiske forholdene. Dette tilsvarer en reduksjon av flyktig innhold på 17,5 prosentpoeng med hensyn til rå hydrochar. Etter behandlinger på 250, 275 og 300 ° c, var det tilsvarende masse tapet 6,01, 5,17, og 4,22 vekt% av den totale massen, henholdsvis. Det kan bli konkludert med at behandlingen ved 200 ° c fjernet 50 vekt% av disse flyktige, og den ved 250 ° c fjernet mer enn 80 WT%. Ytterligere temperaturøkning indusert bare små endringer.
Figur 1: skjematisk beskrivelse av protokollen.
Lignocelluloseholdige biomasse rester produsert av husholdninger er konvertert av hydrotermisk karbonisering (HTC) i rå hydrochar som er sendt til en etterbehandling prosess som består i en termisk post-behandling ved 275 ° c i fravær av vann. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: Termogravimetriske analyse av hydrochar prøver.
Kurvene viser vekttap når rå hydrochar og prøver behandlet ved forskjellige temperaturer ble utsatt for luft ved å øke temperaturen. Verdiene observert ved 275 ° c ble brukt for sammenligning av effektiviteten av behandlingene i Figur 3. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: vekttap opp til 275 ° c under analyse av hydrochar ved thermogravimetry.
Rå hydrochar og prøver behandlet ved forskjellige temperaturer ble analysert ved thermogravimetry (TG). Hele baren tilsvarer beløpet som elimineres i ubehandlet hydrochar opp til 275 ° c i løpet av analysen av TG (se figur 2). Dette beløpet kan reduseres ved termisk behandling av hydrochar prøvene: med ca 50 vekt%, nemlig ved 17,5 prosentpoeng, ved behandling ved 200 ° c (blå farge); en annen 11,1 prosentpoeng av behandlingen ved 250 ° c (rød farge); ytterligere temperaturøkning av behandlings temperaturen viser bare minimale effekter, nemlig 0,84 og 0,95 prosentpoeng for behandlingene ved 275 ° c (grå) og 300 ° c (oransje). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Eksempel | Fuktighet | Vann lagt til | Totalt vann | Trykk (varm/kald) | Yield solid (tørr) | Yield solid (tørr) | |
| Råvare | g | [WT%] | g | [WT%] | Bar | g | [WT%] |
| Frukt rester | |||||||
| Pistasj skjell | 5,00 | 8,0 | 10,1 | 69,5 | 22/0 | 2,28 | 49 |
| Oliven steiner | 5,10 | 9,0 | 10,1 | 69,5 | 31/9 | 2,55 | 55 |
| Aprikoskjerne | 8,74 | 11,5 | 3,33 | 35,9 | 26/13 | 2,56 | 33 |
| Plomme steiner | 4,95 | 33,6 | 10,2 | 78,3 | 28/9 | 2,11 | 64 |
| Kirsebær steiner | 7,61 | 45,8 | 4,03 | 64,6 | 30/10 | 2,62 | 64 |
| Nispero steiner | 10,7 | 53,0 | 2,41 | 61,6 | 40/14 | 2,57 | 51 |
| Nektarin steiner | 9,65 | 48,6 | 5,44 | 67,1 | 27/10 | 3,30 | 67 |
| Banan hud | 15,2 | 89,0 | 2,27 | 90,4 | 25/9 | 0,93 | 56 |
| Melon hud | 16,1 | 87,4 | 2,32 | 89,0 | 24/8 | 0,64 | 32 |
| Ananas kjerne | 15,5 | 86,1 | 2,15 | 87,8 | 26/9 | 1,30 | 60 |
| Vegetabilsk rester, planter og stauder materiale | |||||||
| Palmeblader | 12,6 | 55,1 | 2,17 | 61,7 | 42/17 | 4,95 | 87 |
| Palmetre | 15,0 | 78,5 | 2,11 | 81,2 | 23/4 | 1,47 | 45 |
| Ananasblader | 15,4 | 78,4 | 1,74 | 80,6 | 21/8 | 1,00 | 30 |
| Kaffe begrunnelse | 10,8 | 60,9 | 5,08 | 73,4 | 20/9 | 2,73 | 65 |
| Artishoke blader | 15,1 | 80,2 | 2,18 | 82,7 | 31/9 | 1,53 | 51 |
| Salat blader | 15,3 | 91,3 | 1,77 | 92,2 | 20/5 | 0,39 | 29 |
| Calçot blader | 15,0 | 72,7 | 2,80 | 77,0 | 29/11 | 1,54 | 38 |
| Bønne pods | 15,1 | 82,6 | 2,30 | 84,9 | 31/4 | 1,43 | 55 |
| Komposterbar vesker | |||||||
| Komposterbar veske til hverdagsbruk | 5,01 | 0 | 10,0 | 66,7 | 20/4 | 2,08 | 42 |
| Bag for kompostering | 2,50 | 0 | 5,00 | 66,7 | 16/3 | 0,92 | 37 |
| Komposterbar kaffekapsel (med kaffe begrunnelse) | 5,56 | 31,4 | 8,05 | 72,0 | 26/7 | 1,19 | 31 |
Tabell 1: eksperimentelle data for hydrotermisk carbonizations.
Mengder av solid materie og vann som brukes for reaksjoner og utbytte av hydrochar innhentet. Trykk verdien indikerer maksimalt trykk observert ved oppvarming til 215 ° c (varm) og etter avkjøling av autoklav til romtemperatur (kulde).
| C (DAF) | H (DAF) | N (DAF) | S (DAF) | |
| Råvare | [WT%] | [WT%] | [WT%] | [WT%] |
| Frukt rester | ||||
| Pistasj skjell | 68,0 | 4,66 | 0,34 | 0,00 |
| Oliven steiner | 70,0 | 5,97 | 0,81 | 0,00 |
| Aprikoskjerne | 68,6 | 6,16 | 2,21 | 0,00 |
| Plomme steiner | 69,8 | 6,44 | 1,48 | 0,01 |
| Kirsebær steiner | 67,4 | 5,52 | 1,13 | 0,00 |
| Nispero steiner | 67,1 | 5,47 | 1,90 | 0,03 |
| Nektarin steiner | 68,8 | 5,39 | 0,88 | 0,04 |
| Banan hud | 71,7 | 6,41 | 2,91 | 0,06 |
| Melon hud | 69,1 | 6,24 | 2,56 | 0,08 |
| Ananas kjerne | 68,3 | 5,33 | 1,54 | 0,02 |
| Vegetabilsk rester, planter og stauder materiale | ||||
| Palmeblader | 63,7 | 6,47 | 2,65 | 0,20 |
| Palmetre | 63,2 | 6,09 | 2,02 | 0,03 |
| Ananasblader | 60,0 | 6,52 | 2,24 | 0,11 |
| Kaffe begrunnelse | 66,8 | 6,63 | 3,54 | 0,17 |
| Artishoke blader | 63,2 | 5,77 | 3,28 | 0,13 |
| Salat blader | 57,8 | 6,09 | 3,48 | 0,18 |
| Calçot blader | 63,9 | 5,82 | 3,79 | 0,55 |
| Bønne pods | 68,0 | 6,17 | 4,18 | 0,14 |
| Komposterbar vesker | ||||
| Komposterbar veske til hverdagsbruk | 56,8 | 5,15 | 0,09 | 0 |
| Bag for kompostering | 61,1 | 5,38 | 0,09 | 0 |
| Komposterbar kaffekapsel (med kaffe begrunnelse) | 60,5 | 5,57 | 2,56 | 0 |
Tabell 2: elementær analyse av hydrochar prøver.
| Egenskapen | Enhet | Verdi |
| Askeinnhold (tørr basis; 815 ° c) | [WT%] | 12,9 |
| Flyktige (tørr basis; 900 ° c) | [WT%] | 66,4 |
| Fast karbon (tørr basis) | [WT%] | 20,8 |
| C (DAF) | [WT%] | 66,1 |
| H (DAF) | [WT%] | 7,4 |
| N (DAF) | [WT%] | 3,0 |
| S (DAF) | [WT%] | 0,2 |
Tabell 3: proximate analyse og elementær analyse av hydrochar prøven som brukes i de termiske behandlingene28.
| Gi | Gi | |||||||||||||
| første massen (hydrochar) | Temperatur | siste masse (hydrochar) | masse væske | Af | Av | massebalanse | Yield solid | gi væske | Af | Av | ||||
| Oppføring | 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 utført med hydrochar produsert fra hage prunings i stedet for OFMSW. | ||||||||||||||
Tabell 4: eksperimentelle data fra de termiske behandlingene.
Etter reaksjonen utvinnes en solid og en væske. Væsken separert ved å stå i en vandig (AF) og en organisk brøkdel (av). Det manglende beløpet tilskrives permanent gassdannelse, for eksempel karbondioksid og ufullstendig kondens av flyktige materie som vann.
Discussion
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.
Disclosures
Marisa Hernandez og Borja Oliver-Tomas er ansatte i Ingelia SL som produserte hydrochar prøver som brukes i denne artikkelen. Maria Consuelo Hernández-Soto, Estefanía Ponce, og Michael Renz har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
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).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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) |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Gruda, N. Current and future perspective of growing media in Europe. Acta Horticulturae. 960, 37-43 (2012).
- 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).
- Volpe, M., et al. One stage olive mill waste streams valorisation via hydrothermal carbonisation. Waste Management. 80, 224-234 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hu, B., et al. Engineering carbon materials from the hydrothermal carbonization process of biomass. Advanced Materials. 22 (7), 813-828 (2010).
- 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).
- Sánchez, A., et al. Greenhouse gas emissions from organic waste composting. Environmental Chemistry Letters. 13 (3), 223-238 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Burguete, P., et al. Fuel and chemicals from wet lignocellulosic biomass waste streams by hydrothermal carbonization. Green Chemistry. 18 (4), 1051-1060 (2016).
- Zucconi, F., Monaco, A., Forte, M., De Bertoldi, M. Phytotoxins during the stabilization of organic matter. Composting of Agricultural and Other Wastes. , (1985).
