Summary
오토클레이브에서 식물성 음식물 쓰레기의 수열 탄화 프로토콜이 제시되고, 휘발성 유기 물질을 탈지하는 연속 유동 반응기에서 275 °C에서 후속 건식 열 처리가 제공됩니다. 목표는 토양 수정 제품 또는 기판 성분으로 적합한 탄소 물질을 생산하는 것입니다.
Abstract
2단계 절차는 이탄과 유사한 조성 및 성질을 가진 탄소 물질의 합성에 대해 설명된다. 생산된 하이드로차르는 식물 재배 억제 물질을 제거하여 농업 응용 분야에 적합하게 만들어집니다. 과일 껍질, 커피 찌꺼기, 먹을 수 없는 식물성 부품 또는 습식 리그노셀룰로오스 물질과 같은 습식 가정용 폐기물은 일반적으로 215°C 및 21bar의 오토클레이브, 즉 탄화 수열에 의해 물이 있는 상태로 처리됩니다. 이 모든 남은 것은 최대 90 중량 %(wt%)의 상당한 수분 함량을 갖는다. 물을 추가하면 견과류 나 정원 가지 치기 및 퇴비화 폴리머와 같은 건조 한 재료, 즉 남은 것을 수집하기위한 비닐 봉지로 절차를 확장합니다.
일반적으로 하이드로차(hydrochar)라고 불리는 탄소 물질은 토양에 첨가될 때 식물 성장에 부정적인 영향을 미칩니다. 이 효과 흡착 된 식물 독성 화합물에 의해 발생 하는 가정. 275 °C에서 불활성 분위기 (산소의 부재)에서 간단한 후 처리는 이러한 물질을 제거합니다. 따라서, 원시 하이드로차르는 수직 관형 석영 반응기의 유리 프릿 상에 배치된다. 질소 가스 흐름은 하향 흐름 방향으로 적용됩니다. 튜브는 최대 1 시간 동안 가열 맨틀을 통해 원하는 온도로 가열됩니다.
열 처리의 성공은 공기 에서 수행되는 열중력측정법(TG)에 의해 쉽게 정량화됩니다. 체중 감소는 휘발성 함량이 탈지되기 때문에 275 °C의 온도에 도달 할 때 결정됩니다. 그 양은 처리되지 않은 하이드로 차르에 비해 최종 물질에서 감소된다.
2단계 처리는 수거용 퇴비봉투를 포함한 가정용 남은 쓰레기를 식물 성장 촉진제 역할을 할 수 있는 탄소 소재로 전환하고 동시에 기후 변화 완화를 위한 탄소 싱크대역할을 합니다.
Introduction
탄화 수열(HTC)은 습식, 리그노셀룰로오스 자원의 폐기물 관리를 위한 새로운 기술입니다. 이 기술은 안토니에티와 티티리치에 의해 재발견되고 소나무 바늘, 소나무 콘, 참나무 잎과 오렌지 껍질1에적용되었다. 이에 의해, 바이오매스는 하이드로차로 전환되고, 탄화2,3 또는 토탄4,5와유사한 탄산고체로 전환된다. 그 이후, 많은 잔류 공급원료는 농공업폐기물 6,7,8,도시고형폐기물(OFMSW)9,또는 제지밀 슬러지10의유기분획과 같은 처리되어 있다. 이 기술은 또한 열분해 및 가스화(11)를위한 바이오매스 전처리로 도 사용된다. 또한, 이 절차는 당이나 셀룰로오스와 같은 동종 재생 자원으로부터 현대 나노 기술 물질을 제공한다. 이러한 첨단 재료는 충전식 배터리, 연료 전지 또는 슈퍼 커패시터, 가스 저장, 센서 또는 약물 전달을 위한 전극으로서 미래의 응용분야에 잠재력을 가지고있다 12,13.
하이드로차르는 탄소 물질이며, 특히 가변(계절적 또는 지역적) 조성을 가진 저값, 이질적인 자원에서 생산될 때 재생 가능한 고체 연료로 사용될 수 있다. 그러나, 하이드로차 생산과 토양에 대한 적용은 즉각적인 연소 대신 기후 변화 완화에 3배의 기여를 할 것입니다. 첫째, HTC를 폐기물 관리 기술로 선택하면 퇴비화 또는 통제되지 않은 분해 시 강력한 온실 가스 메탄의 배출을 방지할 수있습니다 14,15. 둘째, 짧은 시간 후에 하이드로차의 연소를 피하고 이를 토양에 적용하고, 대기로부터 이산화탄소를 더 긴 시간 동안 제거하며, 즉, 실제 탄소 포집 및 저장(CCS)16,17로구성된다. 셋째, 일반적으로, 숯화 개정 토양은 더 비옥한 토양(흑색 토양)과 식물의 성장이 증가한다. 18세 , 19 이것은 자원을 보존하는 것 외에도 생산과 관련된 비료 사용및 이산화탄소 배출을 줄입니다. 또한, 추가 식물 성장은 대기에서 더 많은 이산화탄소를 제거합니다.
토양에 하이드로 차르를 적용하기위한 많은 명백한 인수가 있다는 것은 분명하지만, 재료는 불편함을 수반합니다 : 원시 하이드로 차르는 열분해에 의해 생성되는 바이오 차르와 정확히 동일하게 행동하지 않습니다. 하이드로차르는 식물의 성장을 명확하게 증가시키지 않거나 더 악화시키지 않으며, 자주20,21,22의다소 부정적인 영향을 일으킨다. 따라서, 농민은 그것을 적용 하는 것이 좋습니다 되지 않습니다., 그리고 그것에 대 한 돈을 지불 하는 더 적은. 다행히도 이러한 단점을 완화하거나 제거할 수 있습니다. 가장 쉬운 방법은 단순히 두 번째 재배 주기(22)를기다리는 것입니다. 또한 세척20,21,22,23 또는 공동 퇴비화24는 이를 위한 성공적인 치료법이다. 그러나 이러한 모든 절차에는 시간이 필요하거나 추가 관리가 필요한 수성 스트림을 생성합니다.
최근에는 원시 하이드로차(25)가 연열 후 처리될 수 있는 것으로 나타났다. 이 절차의 목적은 단순히 원치 않는 휘발성 및 유해 물질을 desorb하는 것입니다. 주로 유기물의 농축 된 흐름은 그 면에서 열적으로 평가 될 수 있습니다. 따라서 HTC 플랜트의 에너지 균형이 개선되고 측면 스트림의 환경 적 위험이 방지됩니다. 발아 시험은 275 °C 이상 온도에서 수행 될 때 치료가 성공적임을 보여줍니다.
본 프로토콜(도 1참조)은 반응 결과의 평가를 위한 2개의 반응 단계 및 1개의 간단한 분석 방법을 포함한다. 첫 번째 단계에서 바이오매스는 215 °C에서 21bar 압력에서 오토클레이브에서 원시 하이드로차로 변환됩니다. 여기서, 가정용 남은 것은 시작 재료로 사용됩니다. 여기에는 과일 껍질, 과일 돌, 먹을 수없는 야채 부품, 커피 찌꺼기, 주방 용지, 퇴비 비닐 봉지 등과 같은 모든 종류의 야채 재료가 포함됩니다. 탄산 물질은 여과에 의해 수집되고 건조된다. 제2 단계의 경우, 하향 유동 방향으로 가스 흐름을 인가하는 수직 관형 반응기의 유리 프릿에 배치된다. 튜브는 1시간 동안 275°C로 가열된다. 생성된 고체는 공기 중의 열중력측정(TG)에 의해 분석됩니다. 275°C까지의 물질 손실은 처리되지 않은 하이드로차로 관찰된 손실과 비교하여 정량화된다. 탄소 물질은 원소 분석(C, H, N 및 S), 회분 함량 및 회분 조성물(주로 Ca, Al, Si 및 P)을 특징으로 할 수 있다.
Protocol
1. 가정용 남은 수열탄화
- 반응 혼합물에 대한 적당한 양의 물과 바이오매스의 계산.
- 반응 혼합물은 오토클레이브의 부피의 절반을 채워야 합니다. 혼합물의 밀도가 약 1 g/mL라고 가정하고 중량별 양을 계산합니다. 약 80 wt %는 물과 나머지 고체 물질이어야합니다. 전체 수분 함량은 중요하지 않으며 70 ~ 85 wt%의 범위일 수 있습니다.
- 과일 껍질이나 먹을 수 없는 채소 부품과 같은 주방 에서 바이오 매스를 선택하십시오. 섹션 1에 대한 정확한 질량 균형을 계산하기 위해, 2 시간 또는 하룻밤 동안 오븐에서 100-105 °C에서 바이오 매스의 샘플을 건조. 얻어진 질량은 바이오매스의 고체 물질이다. 또는 문헌 데이터를 사용합니다(정확도가 감소).
- 오토클레이브를 20wt%의 고체 물질로 충전하는 데 필요한 습식 바이오매스와 함께 도입될 물의 양을 계산합니다. 반응기에서 원하는 물량에 도달하는 데 필요한 물의 양을 계산합니다.
- 오토클레이브를 충전합니다.
주의: 오토클레이브에는 파열 압력이 50bar의 파열 디스크가 제공되어야 합니다.- 1.1.3단계에서 계산된 바이오매스와 물의 무게를 측정하고 오토클레이브에 모두 넣습니다.
- 오토클레이브를 닫고 최대 20bar의 질소로 가압합니다. 30분 이상 압력 손실이 없는지 확인합니다. 이를 통해 누출 없이 선박이 제대로 닫힙니다. 압력을 해제하고 용기를 다시 닫습니다.
- 탄화 반응.
- 교반을 켭니다. 오토클레이브를 30분 이내에 215°C로 가열하고 적어도 4시간 또는 하룻밤 동안 온도를 유지합니다.
- 처음 2시간 동안의 압력을 모니터링합니다. 일반적으로, 최대 21bar의 물의 증기압 곡선을 따른다. 압력이 증가하지 않으면 가열이 제대로 작동하지 않거나 용기가 제대로 닫히지 않습니다. 이 경우 반응을 중지하고 가열 및 밀봉을 확인하십시오.
- 드문 경우, 예를 들어, 바이오매스가 탈카르복실화되기 쉬운 경우, 최대 압력은 215°C에서 증기 압력으로 인한 21bar보다 5~10bar 높을 수 있습니다. 압력이 35 bar를 초과하면 가열을 끄고 반응을 중단하십시오. 실온으로 냉각된 후 남은 압력을 조심스럽게 방출하고 1.3.1 단계에서 다시 시작합니다.
- 원시 하이드로 차의 회수.
- 오토클레이브가 자연 냉각에 의해 실온으로 냉각되면 잔류 압력을 조심스럽게 해제하고 오토클레이브를 엽니다.
- 부흐너 깔때기로 진공 여과하여 고체와 액체를 분리합니다. 액체 상에 대한 유해 실험실 폐기물 을 수성 용액으로 폐기하십시오.
- 고체를 오븐에서 100 ~ 105°C에서 2시간 또는 하룻밤 동안 건조시다. 첫 번째 단계, 즉 수열 탄화(섹션 1)의 질량 균형을 계산합니다. 이를 위해 제품의 바이오 매스의 건조 중량과 건조 중량을 고려하십시오.
2. 배치 모드에서 원시 하이드로 차의 열 처리
- 1g의 건조 한 원시 하이드로 차러를 무게와 관 석영 반응기 (배치 반응기)의 유리 프릿에 배치합니다.
- 10 ~ 20g과 같은 더 많은 양의 경우, 0.2 ~ 6 mm의 입자 크기를 가진 펠릿 물질을 사용하십시오.
- 반응기의 가열 맨틀을 놓고 20 mL / min의 하류 질소 스트림을 연결하십시오. 냉각은 필요하지 않습니다.
- 출구에서 가스를 흡인하고 배기 가스에 실시하거나 배기 후드에 전체 반응기를 배치합니다. 10도 /min의 경사로로 반응기를 275 °C로 가열하십시오.
- 다시 실온으로 냉각되면 가스 흐름을 분리하십시오. 비커에서 수집된 액체를 비할로겐화 유기 잔류물에 버린다. 탄소 물질을 회수하고 무게를 재니다. 섹션 2, 즉 열 처리, 고용 및 수득된 질량으로부터의 질량 균형을 계산하고, 탄화 단계에서 채택된 열 처리 및 건조 바이오매스로부터의 전체적인 반응에 대해 계산한다.
3. 열중력측정(TG)에 의한 최종 제품 분석
- 제품을 박격포로 분쇄하고 장치의 도가니에 10mg 샘플의 무게를 달아보냅니다.
- TG 장치의 자동 샘플러에 도가니를 놓고 분석 조건을 선택합니다: 최대 온도를 600°C로 조정하고 공기를 스윕 가스및 10도/min의 온도 램프로 사용합니다.
- 분석을 시작합니다.
- TG 곡선에서 275°C에서 질량 손실을 정량화하여 초기 중량과 이 온도에서 관찰된 차이의 차이를 계산합니다(도 2참조). 질량 손실을 초기 가중치의 백분율로 표현합니다. 처리된 샘플과 원시 샘플의 값을 비교합니다. 명확한 감소가 관찰됩니다.
Representative Results
본 프로토콜은 2단계로 농업 응용분야에 적합한하이드로차(그림 1): 수열 탄화, 이어서 열 사후 처리가 뒤따른다. 탄화 반응에서, 습식 리그노셀룰로오스 바이오매스는 탄산 물질로 변형된다. 반응의 성공은 간단한 육안 검사에 의해 결정 될 수있다 : 고체 샘플은 갈색으로 변하고, 갈색이 어두운, 더 진보 탄화 반응. 탄화 정도는 반응 시간에 의해 영향을 받을 수 있는 반응 중증도에 따라 달라집니다. 예를 들어 하룻밤 사이에 더 긴 반응 시간이 되면 최적의 반응 결과를 보장합니다. 탄화 정도가 높을수록 항상 낮은 질량 수율과 관련이 있습니다.
반응 시 압력은 215°C에서 의 자생증기 압력인 적어도 21 bar로 증가해야 한다. 그러나 일반적으로 압력은 표1에 나타낸 바와 같이 이 값을 초과하여 증가합니다. 반응 압력은 어떻게 든 예측할 수 없으며 바이오 매스의 종류와 분해 상태에 따라 다릅니다. 이산화탄소와 같은 영구 가스의 형성은 반응 중 압력 증가 및 압력 증가에 대한 책임이 있음(21 bar의 증기 압력에 대하여) 오토클레이브를 냉각한 후에도 남아 있는 것(표1) ; 낮은 온도로 조정하여 감소). 증가된 압력은 고체의 질량 수율에 악영향을 미칠 수 있지만(원료는 기체 이산화탄소로 변환됨), 이외에는 전체적인 목표에 해롭지 않습니다. 압력 증가의 명확한 한계는 반응 장치의 안전 한계, 예를 들어, 파열 디스크의 파열 압력이다. 작은 누출은 21 바 압력에 도달하지 않는 이유가 될 수 있습니다. 그러나 압력은 적어도 15 bar에 도달해야합니다.
탄화의 질량 수율은 30 내지 90 wt, 전형적으로 50 내지 65 wt%(표 1)로부터 넓은 범위를 포함한다. 질량 수율은 일반적으로 리그닌 함량이 높은 목재 재료의 경우 더 높고 전분과 같은 순수 당 합분자 (폴리 아세탈)의 경우 낮습니다. 예를 들어, 잎이나 퇴비화 봉투에 대해 낮은 수율이 관찰됩니다. 또한 반응 심각도는 질량 수율에 영향을 미칩니다. 이미 언급했듯이, 장기간 반응 시간은 짧은 반응에 의해 얻어진 수율에 비해 질량 수율을 감소시다.
원하는 경우, 원시 하이드로차르는 원소 분석26,27에의해 화학적으로 특징지어질 수 있다. 이에 따라, 탄소 함량은 탄화 정도를 나타낸다. 리그노셀룰로오스 바이오매스는 45w%의 탄소 함량(건조 및 무회 기준 [daf]])을 가지고 있습니다. 이 값은 HTC에 의해 60 또는 65 wt %로 증가 할 수 있습니다. 65 wt% 이상의 값은 HTC 측면에서 이미 진보 된 탄화를 나타냅니다. 예를 들어 데이터는 표2를 참조하십시오.
리그노셀룰로오스 바이오매스는 본 프로토콜에 기재된 바와 같이 탄화 수열화를 위한 "순수 샘플"로서 사용될 수 있다. 이것은 특정 유형의 바이오 매스의 행동에 대한 연구에 특별한 관심이있을 수 있습니다. 그러나 실제로는 바이오 매스 유형의 혼합물이 처리됩니다. 따라서, 본 프로토콜에서는 산업 파일럿 플랜트로부터의 하이드로차의 샘플이 사용되었다. 이 하이드로차의 특성은 표3에 요약되어 있습니다.
열 후처리, 이 프로토콜의 제2 단계는, 200~ 300°C, 275°C의 범위에서 필요하고 충분한 온도인25의범위에서 상이한 온도에서 수행되었다. 표 4로부터 온도가 200 내지 250°C, 275°C 및 300°C에서 상승할 때 질량 수율이 연속적으로 감소하는 것을 볼 수 있으며, 거의 90wt%에서 73wt%, 74wt% 및 60wt%로 각각 감소하는 것을 볼 수 있다. 그러나, 바이오매스의 이질성 및 부엌 남은 혼합물로부터의 다른 가능한 기여로 인해, 이 값은 완전히 재현할 수 없으며 275°C에서의 치료에 대해 70 wt%에서 80 wt%의 범위에서 다를 수 있다.
반응기 출구 아래에 배치 된 비커에서 갈색 액체가 수집되어 서있는 즉시 노란색 하부 수성 상과 상부 다크 브라운 유기 상으로 분리됩니다. 액체에 대한 수율은 200 내지 300°C의 온도 범위에 대해 8 wt%내지 30wt%까지 다양하며, 275°C에서의 처리를 위한 평균 20wt%이다(표 4).
열 처리의 질량 균형이 100 wt %에 도달하지 않지만 90 ~ 95 wt %까지 합산된다는 것을 볼 수 있습니다. 아마도 탈카르복실화에 의해 생성 되는 이산화탄소의 5 ~ 10 wt %의 형성이 갭의 원인일 것입니다. 또한, 물과 같은 휘발성 화합물은 반응 설정으로 완전히 응축되지 않는다.
최종 생성물은 주코니의 발아 시험28에의해 그것의 식물 독성을 위해 분석될 수 있다. 간단히 말해서, 씨앗은 수성 추출물에 노출되고 뿌리 성장에 미치는 영향은 정량화됩니다 (며칠 또는 몇 주 후). 본 명세서에서, 간단하고 표준적인 분석은 반응 결과, 즉 열중력측정법(TG)에 의한 분석의 신속한 평가를 위해 사용된다. 이로써, 작은 샘플은 증가온도(예를 들어, 최대 600°C)에서 기류에 노출되고 중량 감소가 모니터링된다.
다른 하이드로차 샘플에 대한 일반적인 TG 그래프는 그림2에 표시됩니다. 원시 하이드로차의 질량 손실은 약 200 °C에서 시작하여 300 °C에서 거의 50 %에 도달합니다. 2단계 동안 200°C에서 처리된 시료의 경우, 질량 손실은 200°C에서 다시 시작되지만, 300°C에서는 70%가 남아 있다. 2단계 동안 더 높은 온도에서 처리된 시료는 TG 분석 중에 더 높은 온도에서 질량을 잃기 시작하고 약 90%는 300°C에 남아 있습니다. 따라서, 처리된 시료에 대해 원시 하이드로차와 비교할 때 200 및 300°C 사이의 휘발성 물질의 손실이 감소된다는 것을 확인할 수 있다. 이러한 휘발성 물질의 제거는 열 처리의 목적이었고 분석 방법은 명백하게28성공을확인하였다.
정량화를 위해, 275°C에서의 질량 손실은 TG 그래프를 사용하여 결정될 수 있다(도 2). 도3에서, 전체 바는 처리되지 않은 하이드로차 샘플(34.6 wt%)에 대한 질량 손실을 나타낸다. 200°C에서 처리한 후, 질량 손실은 지정된 분석 조건 하에서 총 질량의 17.1 wt%였다. 이는 원시 하이드로차에 대하여 17.5%포인트의 휘발성 함량의 감소에 해당한다. 250, 275 및 300°C에서 처리한 후, 상응하는 질량 손실은 각각 총 질량의 6.01, 5.17 및 4.22 wt%였다. 200°C에서의 처리가 이들 휘발성물질중 50wt%를 제거하고, 250°C에서의 처리가 80 wt%이상 제거되었다는 결론을 내릴 수 있다. 추가 온도 증가는 단지 작은 변화를 유도했다.
그림 1: 프로토콜에 대한 개략적 설명.
가정에서 생산되는 리그노셀룰로오스 바이오매스 잔류물은 수열 탄화(HTC)에 의해 생 하이드로차로 변환되며, 이는 물이 없는 상태에서 275°C에서 열 후처리로 이루어진 마무리 공정에 제출됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 하이드로차르 시료의 열중량 측정 분석.
곡선은 생 하이드로차와 다른 온도에서 처리된 샘플이 증가하는 온도에서 공기에 노출되었을 때 체중 감소를 보여줍니다. 도 3에서 275°C에서 관찰된 값은 치료의 효율을 비교하기 위해 사용되었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 열혈측정에 의한 하이드로차 분석 시 최대 275°C의 체중 감소.
상이한 온도에서 처리된 생 하이드로차및 시료를 열중력측정(TG)에 의해 분석하였다. 전체 막대는 TG에 의한 분석 동안 최대 275°C까지 처리되지 않은 하이드로차에서 제거된 양에 해당한다(도 2참조). 이 양은 하이드로 차르 샘플의 열 처리에 의해 감소 될 수있다 : 약 50 wt, 즉 17.5 % 포인트, 200 °C (청색)에서 처리에 의해; 250°C(적색)에서 처리에 의한 또 다른 11.1 퍼센트 포인트; 처리 온도의 추가 온도 상승은 각각 275°C(회색) 및 300°C(주황색)에서 처리에 대한 최소 효과, 즉 0.84 및 0.95 퍼센트 포인트를 보여준다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 샘플 | 습기 | 추가된 물 | 총 물 | 압력(고온/냉기) | 항복 고체(건조) | 항복 고체(건조) | |
| 원료 | 【 g 】 | [wt%] | 【 g 】 | [wt%] | [바] | 【 g 】 | [wt%] |
| 과일 남은 음식 | |||||||
| 피스타치오 껍질 | 5.00 | 8.0 | 10.1 | 69.5 | 22/0 | 2.28 | 49세 |
| 올리브 스톤 | 5.10 | 9.0 | 10.1 | 69.5 | 31/9 | 2.55 | 55세 |
| 살구 커널 | 8.74 | 11.5 | 3.33 | 35.9 | 26/13 | 2.56 | 33세 |
| 매화돌 | 4.95 | 33.6 | 10.2 | 78.3 | 28/9 | 2.11 | 64세 |
| 체리 스톤 | 7.61 | 45.8 | 4.03 | 64.6 | 30/10 | 2.62 | 64세 |
| 니스페로 스톤 | 10.7 | 53.0 | 2.41 | 61.6 | 40/14 | 2.57 | 51세 |
| 넥타린 스톤 | 9.65 | 48.6 | 5.44 | 67.1 | 27/10 | 3.30 | 67세 |
| 바나나 피부 | 15.2 | 89.0 | 2.27 | 90.4 | 25/9 | 0.93 | 56세 |
| 멜론 피부 | 16.1 | 87.4 | 2.32 | 89.0 | 24/8 | 0.64 | 32세 |
| 파인애플 코어 | 15.5 | 86.1 | 2.15 | 87.8 | 26/9 | 1.30 | 60 |
| 야채 남은 음식, 식물 및 초본 재료 | |||||||
| 야자수 잎 | 12.6 | 55.1 | 2.17 | 61.7 | 42/17 | 4.95 | 87세 |
| 야자수 | 15.0 | 78.5 | 2.11 | 81.2 | 23/4 | 1.47 | 45세 |
| 파인애플 잎 | 15.4 | 78.4 | 1.74 | 80.6 | 21/8 | 1.00 | 30개 |
| 커피 찌꺼기 | 10.8 | 60.9 | 5.08 | 73.4 | 20/9 | 2.73 | 65세 |
| 아티쇼케 잎 | 15.1 | 80.2 | 2.18 | 82.7 | 31/9 | 1.53 | 51세 |
| 양상추 잎 | 15.3 | 91.3 | 1.77 | 92.2 | 20/5 | 0.39 | 29세 |
| 칼소트 잎 | 15.0 | 72.7 | 2.80 | 77.0 | 29/11 | 1.54 | 38세 |
| 콩 포드 | 15.1 | 82.6 | 2.30 | 84.9 | 31/4 | 1.43 | 55세 |
| 퇴비 봉투 | |||||||
| 일상생활을 위한 퇴비봉투 | 5.01 | 0 | 10.0 | 66.7 | 20/4 | 2.08 | 42세 |
| 퇴비화용 가방 | 2.50 | 0 | 5.00 | 66.7 | 16/3 | 0.92 | 37세 |
| 퇴비화 가능한 커피 캡슐 (커피 찌꺼기) | 5.56 | 31.4 | 8.05 | 72.0 | 26/7 | 1.19 | 31세 |
표 1: 탄화 수력 열에 대한 실험 데이터.
수력 화의 반응 및 수율에 사용되는 고체 물질 및 물의 양. 압력 값은 215°C(핫)로 가열하고 오토클레이브를 실온(cold)으로 냉각한 후 관찰되는 최대 압력을 나타냅니다.
| C (daf) | H (daf) | N (daf) | S (daf) | |
| 원료 | [wt%] | [wt%] | [wt%] | [wt%] |
| 과일 남은 음식 | ||||
| 피스타치오 껍질 | 68.0 | 4.66 | 0.34 | 0.00 |
| 올리브 스톤 | 70.0 | 5.97 | 0.81 | 0.00 |
| 살구 커널 | 68.6 | 6.16 | 2.21 | 0.00 |
| 매화돌 | 69.8 | 6.44 | 1.48 | 0.01 |
| 체리 스톤 | 67.4 | 5.52 | 1.13 | 0.00 |
| 니스페로 스톤 | 67.1 | 5.47 | 1.90 | 0.03 |
| 넥타린 스톤 | 68.8 | 5.39 | 0.88 | 0.04 |
| 바나나 피부 | 71.7 | 6.41 | 2.91 | 0.06 |
| 멜론 피부 | 69.1 | 6.24 | 2.56 | 0.08 |
| 파인애플 코어 | 68.3 | 5.33 | 1.54 | 0.02 |
| 야채 남은 음식, 식물 및 초본 재료 | ||||
| 야자수 잎 | 63.7 | 6.47 | 2.65 | 0.20 |
| 야자수 | 63.2 | 6.09 | 2.02 | 0.03 |
| 파인애플 잎 | 60.0 | 6.52 | 2.24 | 0.11 |
| 커피 찌꺼기 | 66.8 | 6.63 | 3.54 | 0.17 |
| 아티쇼케 잎 | 63.2 | 5.77 | 3.28 | 0.13 |
| 양상추 잎 | 57.8 | 6.09 | 3.48 | 0.18 |
| 칼소트 잎 | 63.9 | 5.82 | 3.79 | 0.55 |
| 콩 포드 | 68.0 | 6.17 | 4.18 | 0.14 |
| 퇴비 봉투 | ||||
| 일상생활을 위한 퇴비봉투 | 56.8 | 5.15 | 0.09 | 0 |
| 퇴비화용 가방 | 61.1 | 5.38 | 0.09 | 0 |
| 퇴비화 가능한 커피 캡슐 (커피 찌꺼기) | 60.5 | 5.57 | 2.56 | 0 |
표 2: 하이드로차르 샘플의 원소 분석.
| 속성 | 단위 | 값 |
| 회분 함량 (건조 기준, 815 °C) | [wt%] | 12.9 |
| 휘발성 물질 (건조 기준; 900 °C) | [wt%] | 66.4 |
| 고정 탄소 (건조 기준) | [wt%] | 20.8 |
| C (daf) | [wt%] | 66.1 |
| H (daf) | [wt%] | 7.4 |
| N (daf) | [wt%] | 3.0 |
| S (daf) | [wt%] | 0.2 |
표 3: 열처리에 사용되는 하이드로차시 샘플의 근접분석 및 원소 분석(28).
| 항복 | 항복 | |||||||||||||
| 초기 질량(하이드로차) | 온도 | 최종 질량 (하이드로차) | 질량 액체 | Af | 의 | 질량 균형 | 수율 고체 | 수율 액체 | Af | 의 | ||||
| 항목 | 【 g 】 | [°C] | 【 g 】 | 【 g 】 | 【 g 】 | 【 g 】 | [%] | [wt%] | [wt%] | [wt%] | [wt%] | |||
| 1개 | 15.3 | 275 | 11.0 | 3.14 | 0.125 | 3.02 | 92.2 | 71.7 | 20.5 | 0.82 | 19.7 | |||
| 2개 | 20.5 | 275 | 15.6 | 3.82 | 0.74 | 3.05 | 94.4 | 75.8 | 18.6 | 3.61 | 14.9 | |||
| 3개 | 30.7 | 275 | 22.5 | 6.79 | 1.01 | 5.78 | 95.6 | 73.5 | 22.1 | 3.29 | 18.8 | |||
| 4개 | 15.7 | 200개 | 13.7 | 1.27 | 0.26 | 1.01 | 95.8 | 87.7 | 8.10 | 1.66 | 6.44 | |||
| 5개 | 15.3 | 250개 | 11.2 | 3.27 | 0.25 | 3.02 | 94.5 | 73.2 | 21.3 | 1.63 | 19.7 | |||
| 6개 | 15.0 | 300개 | 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 | |||
| OFMSW 대신 정원 가지 치기에서 생산 된 하이드로 차로 수행됩니다. | ||||||||||||||
표 4: 열 처리의 실험 데이터.
반응 후 고체와 액체가 회복됩니다. 액체는 수성(AF) 및 유기 분획(OF)으로 서서 분리된다. 누락된 양은 영구 가스 형성(예: 이산화탄소 및 물과 같은 휘발성 물질의 불완전한 응축)에 기인합니다.
Discussion
탄화 수소화는 매우 탄력적인 방법이며 항상 탄산 제품, 즉 하이드로차(hydrochar)를 제공합니다. 그러나, 하이드로차의 수율 및 성질은 반응 조건 또는 반응 조절뿐만 아니라 오히려 바이오매스의 이질성 및 변이로 인해 달라질 수 있다. 예를 들어, 리그닌 함량이 높거나 우디 물질이 있는 리그노셀룰로오스 바이오매스의 경우 질량 수율 및 C 함량이 더 높을 수 있습니다.
더 높은 탄화도(원소 분석에 의해 정량화)가 요구되는 경우, 하이드로차르는 탄화 반응에 다시 제출될 수 있다. 대안적으로, 향후 반응 반응 시간이 길어지거나 반응 온도가 증가 될 수 있습니다 (주의, 자율 수압은 온도에 따라 기하 급수적으로 증가).
열 처리의 결과는 또한 원료의 조성에 달려 있습니다. 예를 들어, 바이오매스가 식물성 기름과 같은 다른 유기 성분을 수반하는 경우, 열 처리는 이러한 휘발성 화합물을 고체및 질량 손실로부터 분리시킬 것입니다.
본 프로토콜에서, 두 단계는 배치 모드에서 수행된다. 산업 응용을 위해 전체 생산 공정은 연속 모드에서 수행되어야합니다. 탄화수화는 이미 연속공정(26,27)으로수행되고 있으나, 열처리는 여전히 더 발전되어야 한다. 마지막 목표는 OFMSW를 토탄 특성이 있는 탄산 물질로 변환하여 토탄(화석 재료로 간주)을 고용하는 것이 환경에 대한 명확한 이점을 가진 농업 및 원예의 증가를, 그리고 기후 변화에 기여하는 것입니다. 완화를 변경합니다.
Disclosures
마리사 에르난데스와 보르자 올리버 -토마스는이 문서에 사용되는 하이드로 차 샘플을 생산 잉겔리아 SL의 직원입니다. 마리아 콘수엘로 에르난데스-소토, 에스테파니아 폰세, 마이클 렌츠는 공개할 것이 없다.
Acknowledgments
저자는 기후- KIC 프로그램의 CharM 및 AdvCharM에 따라 유럽 위원회와 RTC-2017-6087-5의 "Investigación에서 과학, 혁신 및 대학의 스페인 정부에서받은 재정 지원에 감사드립니다, 데사롤로 e 이노베이션 오리엔타다 로스 레토스 데 라 소시에다드" 프로그램 및 세베로 오초아 프로그램(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
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