Summary
Ett protokoll för hydrotermisk karbonisering av vegetabiliskt matsvinn i en autoklav presenteras, med efterföljande torr termisk behandling vid 275 ° c i en kontinuerlig flöde reaktor avdunstnings flyktiga organiska ämnen. Syftet är att producera ett kolmaterial som lämpar sig som jord ändring produkt eller substrat komponent.
Abstract
Ett tvåstegsförfarande beskrivs för syntesen av ett kolmaterial med liknande sammansättning och egenskaper som torv. Den producerade hydrochar görs lämplig för jordbruks applikationer genom att ta bort växternas växande hämmande ämnen. Våt hushållsavfall såsom fruktskal, kaffesump, oätliga vegetabiliska delar, eller våt lignocellulosa material i allmänhet, behandlas i närvaro av vatten vid 215 ° c och 21 bar i en autoklav, dvs genom hydrotermisk karbonisering. Alla dessa rester har en betydande vattenhalt på upp till 90 vikt% (WT%). Tillsätta vatten utökar förfarandet till torrare material såsom blir eller ens trädgård beskärning och kommatabla polymerer, dvs plastpåse för insamling av resterna.
Vanligtvis, den resulterande kolmaterial, kallas hydrochar, ger en negativ effekt på växternas tillväxt när de läggs till marken. Det förutsätts att denna effekt orsakas av adsorberade fytotoxiska föreningar. En enkel efter behandling under inert atmosfär (frånvaro av syre) vid 275 ° c avlägsnar dessa ämnen. Därför är den råa hydrochar placeras på ett glas frit av en vertikal tubulär kvarts reaktor. Ett kvävgasflöde appliceras i nedåtflödesriktningen. Röret värms till önskad temperatur med hjälp av en värmemantel i upp till en timme.
Den termiska behandlingens framgång kvantifieras lätt genom termogravimetri (TG), som utförs i luft. En viktminskning bestäms när temperaturen på 275 ° c uppnås, eftersom flyktigt innehåll är desorbed. Dess mängd reduceras i slutmaterialet, jämfört med obehandlad hydrochar.
Den två stegs behandling omvandlar hushållens rester, inklusive kommatabla påsar som används för deras insamling, till ett kolmaterial som kan fungera som växttillväxt promotor och, samtidigt, som en kolsänka för klimatförändringar minskning.
Introduction
Hydrotermisk karbonisering (HTC) är en framväxande teknik för avfallshantering av våt, lignocellulosa resurser. Denna teknik återupptäcktes av Antonietti och Titirici och tillämpas på barr, kottar, Eklöv och Apelsins tall1. Därmed omvandlas biomassan till hydrochar, en karbonaceous solid liknar brunkol2,3 eller torv4,5. Sedan dess har många kvarvarande råvaror bearbetats, till exempel agroindustriellt avfall6,7,8, den organiska fraktionen av kommunalt fast avfall (ofmsw)9eller pappersbruket slam10. Tekniken används också som biomassa förbehandling för pyrolys och förgasning11. Dessutom ger förfarandet moderna nanoteknik material från homogena förnybara resurser såsom socker eller cellulosa. Dessa avancerade material har potential för framtida tillämpningar som elektroder för uppladdningsbara batterier, bränsleceller eller superkapare, gaslagring, sensorer eller läkemedelsleverans12,13.
Hydrochar är ett kolmaterial och kan som sådant användas som förnybart fast bränsle, särskilt när det framställs av små, heterogena resurser med varierande (säsongsbunden eller regional) sammansättning. Produktionen av hydrochar och dess tillämpning på marken, i stället för dess omedelbara förbränning, kommer dock att ha ett tredubbelt bidrag till begränsning av klimatförändringarna. Först, att välja HTC som avfallshanteringsteknik undviker utsläpp av den kraftfulla växthusgasen metan under kompostering eller okontrollerad nedbrytning14,15. För det andra, att undvika förbränning av hydrochar efter en kort tidsperiod och tillämpa den på marken, avlägsnar koldioxiden från atmosfären under en längre tid, det vill säga, den består i verklig avskiljning och lagring av koldioxid (CCS)16,17. För det tredje, i allmänhet, ändrade röding jordar är mer bördiga jordar (svart jord) och växternas tillväxt ökas. 18 , 19 Detta minskar användningen av gödningsmedel och koldioxidutsläpp i samband med deras produktion, förutom att bevara resurserna. Dessutom avlägsnar ytterligare växttillväxt mer koldioxid från atmosfären.
Även om det är ganska uppenbart att det finns många uppenbara argument för tillämpningen av hydrochar till marken, innebär materialet en olägenhet: rå hydrochar inte beter sig exakt som biochar som framställs genom pyrolys. Hydrochar ökar inte klart växternas tillväxt eller ännu värre, ofta orsakar en ganska negativ effekt20,21,22. Därför uppmuntras inte jordbrukarna att tillämpa det, och ännu mindre att betala pengar för det. Lyckligtvis kan denna nackdel mildras eller elimineras. Det enklaste sättet är att helt enkelt vänta på den andra odlings cykeln22. Även tvättningar20,21,22,23 eller co-kompostering24 är framgångsrika behandlingar för detta ändamål. Emellertid, alla dessa förfaranden kräver tid eller producera en vattenbaserad ström som behöver ytterligare vård.
Nyligen har det visats att rå hydrochar kan utsättas för en mjuk termisk efter behandling25. Syftet med detta förfarande är att helt enkelt desorb de oönskade flyktiga och skadliga ämnen. Det resulterande koncentrerade flödet av huvudsakligen organiskt material kan valoriseras termiskt in situ. Som sådan förbättras energibalansen i HTC-fabriken och eventuella miljörisker för sido strömmen förhindras. Grobarhet tester visar att behandlingen är framgångsrik när den utförs vid temperaturer på 275 ° c eller högre.
Detta protokoll (se figur 1) omfattar två reaktionssteg och en enkel analysmetod för utvärdering av reaktions resultatet. Under det första steget omvandlas biomassan till rå hydrochar i en autoklav vid 215 ° c och vid 21-bar tryck. Här används hushålls rester som utgångsmaterial. Dessa inkluderar alla typer av vegetabiliska material såsom frukt peeling, frukt stenar, oätliga vegetabiliska delar, kaffesump, köks papper, kometable plastpåsar, etc. Det karbonaceous materialet samlas in genom filtrering och torkas. För det andra steget är det placeras på en glasfrit av en vertikal tubulär reaktor som tillämpar gasflödet i en nedåtgående flödesriktning. Röret värms upp till 275 ° c i 1 h. Den resulterande fast analyseras med termogravimetri (TG) i luft. Material förlusten upp till 275 ° c kvantifieras och jämförs med den förlust som observerats med obehandlad hydrochar. Kolmaterialet kan ytterligare kännetecknas av elementär analys (C, H, N, och S), askinnehåll och aska sammansättning (främst ca, Al, SI, och P).
Protocol
1. hydrotermisk karbonisering av hushållens matrester
- Beräkning av lämpliga mängder vatten och biomassa för reaktionsblandningen.
- Reaktionsblandningen måste fylla hälften av volymen av autoklav. Antag att densiteten av blandningen är ungefär 1 g/mL och beräkna beloppen i vikt. Cirka 80 WT% ska vara vatten och resten fast materia. Övergripande vattenhalt är inte avgörande och kan variera från 70 till 85 WT%.
- Välj biomassa från kök rester som frukt peeling eller oätliga vegetabiliska delar. I syfte att beräkna en exakt massbalans för avsnitt 1, torka ett prov av biomassan vid 100 – 105 ° c i en ugn för 2 h eller över natten. Den erhållna massan är den fasta materien av biomassan. Du kan också använda litteraturdata (noggrannheten reduceras).
- Beräkna hur mycket våt biomassa som krävs för att ladda autoklav med 20 WT% av fast materia och hur mycket vatten som ska introduceras tillsammans med det. Beräkna hur mycket vatten som krävs för att nå önskad vattenmängd i reaktorn.
- Laddning av autoklav.
Varning: autoklav måste förses med en bristning skiva med ett sprängtryck på 50 bar.- Väga biomassa och vatten som beräknats i steg 1.1.3 och introducera båda i autoklav.
- Stäng autoklav och tryck den med kväve upp till 20 bar. Kontrollera att det inte finns någon tryckförlust över 30 min. Detta säkerställer att kärlet är ordentligt stängt utan läckage. Lossa trycket och Stäng kärlet igen.
- Karboniseringsreaktion.
- Slå på omrörningen. Värm autoklav till 215 ° c inom 30 min och bibehålla temperaturen i minst 4 h eller över natten.
- Övervaka trycket för de första 2 h. I allmänhet följer det ångtryck kurvan för vatten upp till 21 bar. Om trycket inte ökar, antingen värme inte fungerar korrekt, eller fartyget inte är stängd på rätt sätt. Om detta händer, stoppa reaktionen och kontrollera uppvärmningen och tätning.
- I sällsynta fall, t. ex., om biomassan är utsatt för dekarboxylering, kan det maximala trycket vara 5 till 10 bar högre än den 21 bar orsakad av ångtryck vid 215 ° c. Om trycket överstiger 35 bar, stänga av uppvärmningen och avbryta reaktionen. Efter det har svalnat ner till rumstemperatur försiktigt släppa det återstående trycket och börja om från steg 1.3.1.
- Återhämtning av den råa hydrochar.
- När autoklav har svalnat till rumstemperatur genom naturlig kylning, försiktigt släppa eventuella resttryck och öppna autoklav.
- Separera fast och vätska genom vakuum filtrering med en Buchner tratt. Kassera den flytande fasen som vattenlösning bland farligt laboratorieavfall.
- Torka fast den fasta vid 100 till 105 ° c i en ugn för 2 h eller över natten. Beräkna massbalansen för det första steget, det vill säga den hydrotermiska karboniseringen (avsnitt 1). För detta, ta hänsyn till torr vikt av biomassa och torrvikt av produkten.
2. Termisk behandling av rå hydrochar i batch-läge
- Väg 1 g torr rå hydrochar och placera den på en glasfrit av en tubulär kvarts reaktor (batchreaktor).
- För större mängder som 10 till 20 g, Använd pelleterat material med en partikelstorlek på 0,2 till 6 mm. i annat fall kan förekomsten av föredragna kanaler hämma en homogen behandling av provet.
- Placera värmemantel av reaktorn och Anslut en ned-flöde kväveström av 20 mL/min. Placera en liten bägare under reaktorns utlopp för att samla in kondenserade vätskor. Kylning krävs inte.
- Aspirera gaser vid utloppet och leda dem till avgaserna eller placera hela reaktorn i en frånluftshuv. Värm reaktorn till 275 ° c med en ramp på 10 grader/min. Håll temperaturen i 1 h.
- När kyls ner till rumstemperatur igen, koppla bort gasflödet. Kassera den vätska som samlats upp i bägaren till de icke-Halogenerade organiska restsubstanserna. Återvinna kolmaterial och väg den. Beräkna massbalansen för avsnitt 2, det vill säga termisk behandling, från den massa som används och erhålls, och för den totala reaktionen från massan som erhålls i den termiska behandlingen och den torra biomassa som används i karboniseringssteget.
3. analys av slutprodukten genom termogravimetri (TG)
- Krossa produkten i en murbruk och väg ett 10 mg prov i en degeln av apparaten.
- Placera degeln i den automatiska provtagaren på TG-apparaten och välj analysförhållanden: justera den maximala temperaturen till 600 ° c och Använd luft som svep gas och en temperaturramp på 10 grader/min.
- Starta analysen.
- Kvantifiera massförlusten vid 275 ° c i TG-kurvan genom att beräkna skillnaden mellan initial vikt och den som observerats vid denna temperatur (se figur 2). Uttryck massförlusten i procent av den ursprungliga vikten. Jämför värdena för behandlade och råa prover. En tydlig reduktion observeras.
Representative Results
Detta protokoll ger hydrochar som lämpar sig för jordbrukstillämpningar i två steg (figur 1): hydrotermisk karbonisering, som följs av en termisk efter behandling. Vid karboniseringsreaktionen förvandlas våt biomassa till en kolhaltiga material. Framgången av reaktionen kan bestämmas genom enkel visuell inspektion: den fasta provet måste ha vänt brunaktig, och mörkare den bruna färgen, desto mer avancerade den karbonisering reaktionen. Den karbonisering graden beror på reaktionen svårighetsgrad, som kan påverkas av reaktionstiden; en längre reaktionstid, till exempel över natten, garanterar ett optimalt reaktions resultat. En högre karboniseringsgrad är alltid relaterad till en lägre Mass avkastning.
Pressa under reaktionen måste förhöjning till åtminstone 21 bommar för, som är det autogena ånga pressar på 215 ° c. I allmänhet ökar dock trycket utöver detta värde som visas i tabell 1. Reaktions trycket är på något sätt oförutsägbart och beror på vilken typ av biomassa och dess tillstånd av nedbrytning. Det är troligt att bildandet av permanenta gaser, såsom koldioxid, är ansvarig för tryck ökningen och trycket ökar under reaktionen (med avseende på ångtrycket av 21 bar) kvarstår efter kylning ner autoklav (tabell 1 ; minskas genom justering till lägre temperatur). Det ökade trycket kan ha en negativ inverkan på massan avkastningen av den fasta (råvaran omvandlas till gasformiga koldioxid), men bortsett från detta, det är inte skadligt för det övergripande målet. En klar begränsning av pressa förhöjningen är säkerhetsgränsen av reaktions apparaturen, e.g., bristningen pressar av bristningen disketten. Små läckor kan vara anledningen till att 21-bar trycket inte nås. Trycket bör dock nå minst 15 bar.
Mass utbytet av karbonisering innebär ett brett spektrum från 30 till 90 WT%, typiskt från 50 till 65 WT% (tabell 1). Mass utbyte är oftast högre för woodier material med högre lignin innehåll och lägre för ren socker polymerer (Polyacetaler) såsom stärkelse. Till exempel observeras lägre avkastning för löv eller kompeterbara påsar. Dessutom påverkar reaktions svårighetsgraden Mass utbytet. Som redan nämnts, förlängda reaktionstider minska massan avkastningen i jämförelse med avkastningen erhålls genom kortare reaktioner.
Om så önskas, kan den råa hydrochar kännetecknas kemiskt av elementär analys26,27. Därmed är kolhalten indikativt för karboniseringsgraden. Lignocellulosic biomassa har en kolhalt (på torr och askfri bas [DAF]) på 45 WT%. Detta värde kan ökas till 60 eller 65 WT% av HTC. Värden över 65 WT% indikerar en redan avancerad karbonisering i termer av HTC. Till exempeldata se tabell 2.
Den lignocellulosahaltiga biomassan kan användas som "rena prover" för hydrotermisk karbonisering enligt beskrivningen i detta protokoll. Detta kan vara av särskilt intresse för studiet av beteendet hos en viss typ av biomassa. I praktiken bearbetas dock blandningar av biomassa typer. I detta protokoll användes därför ett urval av hydrochar från en industriell pilotanläggning. Egenskaperna hos denna hydrochar sammanfattas i tabell 3.
Den termiska efter behandling, det andra steget i detta protokoll, utfördes vid olika temperaturer, i intervallet 200 till 300 ° c, 275 ° c är den nödvändiga och tillräcklig temperatur25. Från tabell 4 kan man se att Mass avkastningen minskar successivt när temperaturen höjs från 200 till 250 ° c, 275 ° c och 300 ° c, och från nästan 90 WT% till 73 WT%, 74 WT% respektive 60 WT%. Men på grund av heterogenitet av biomassa, och andra möjliga bidrag från köket överblivna blandningen, detta värde är inte helt reproducerbara och kan variera i intervallet från 70 WT% till 80 WT% för behandling vid 275 ° c.
I en bägare som är placerad under reaktor utloppet samlas en brun vätska in, som separerar i två faser vid stående: en gul lägre vattenfas och en övre mörkbrun organisk fas. Avkastningen för vätskan varierar från 8 WT% till 30 WT% för temperaturområdet från 200 till 300 ° c, och medelvärden runt 20wt% för behandling vid 275 ° c (tabell 4).
Det kan konstateras att massan balansen i termisk behandling inte når 100 WT%, men summerar upp till 90 till 95 WT%. Kanske bildandet av 5 till 10 WT% av koldioxid, producerad av dekarboxylering, är orsaken till klyftan. Dessutom är flyktiga föreningar som vatten inte kondenseras helt med reaktionen set-up.
Den slutliga produkten kan analyseras för dess fytotoxicitet av Zucconi s grobarhet test28. I korthet, frön utsätts för vattenextrakt och effekten på rottillväxt kvantifieras (efter flera dagar eller veckor). Häri används en enkel standard analys för en snabb utvärdering av reaktions resultatet, nämligen analys genom termogravimetri (TG). Härmed utsätts ett litet prov för ett luftflöde vid stigande temperatur (t. ex. upp till 600 ° c) och vikt minskningen övervakas.
Typiska TG-grafer för olika hydrochar-prover visas i figur 2. Massförlusten för den råa hydrochar börjar vid ca 200 ° c och når nästan 50% vid 300 ° c. För det prov som behandlades vid 200 ° c under steg 2 börjar massförlusten igen vid 200 ° c, men vid 300 ° c 70% återstår. Proverna behandlade vid högre temperatur under steg 2 börjar tappa massan under TG-analysen vid högre temperatur och cirka 90% återstår vid 300 ° c. Därav, det kan konstateras att förlusten av flyktiga ämnen mellan 200 och 300 ° c reduceras när man jämför en för de behandlade proverna med rå hydrochar. Elimineringen av detta flyktiga material var syftet med den termiska behandlingen och analysmetoden bekräftar att det lyckas otvetydigt28.
Vid kvantifieringen kan massförlusten vid 275 ° c bestämmas med hjälp av TG-grafen (figur 2). I figur 3visar hela stapeln massförlusten för det obehandlade hydrochar-provet (34,6 WT%). Efter behandlingen vid 200 ° c var massförlusten 17,1 WT% av den totala massan under de specificerade analytiska förhållandena. Detta motsvarar en minskning av halten av flyktiga ämnen på 17,5 procentenheter med avseende på obehandlad hydrochar. Efter behandlingar vid 250, 275 och 300 ° c var motsvarande massförlust 6,01, 5,17, och 4,22 WT% av den totala massan, respektive. Man kan dra slutsatsen att behandlingen vid 200 ° c bort 50 WT% av dessa flyktiga ämnen, och en vid 250 ° c bort mer än 80 WT%. Mer ytterligare temperaturförhöjning framkallade endast lilla ändringar.
Figur 1: Schematisk beskrivning av protokollet.
Lignocellulosahaltiga biomassa restprodukter som produceras av hushållen omvandlas genom hydrotermisk karbonisering (HTC) till rå hydrochar som lämnas in till en fin bearbetningsprocess som består av en termisk efter behandling vid 275 ° c i avsaknad av vatten. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: termogravimetrisk analys av hydrochar-prover.
Kurvorna visar viktminskning när rå hydrochar och prover som behandlats vid olika temperaturer utsattes för luft vid ökande temperatur. De värden som observerades vid 275 ° c användes för jämförelsen av effektiviteten hos behandlingarna i figur 3. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: viktminskning upp till 275 ° c vid analys av hydrochar med termogravimetri.
Rå hydrochar och prover behandlade vid olika temperaturer analyserades genom termogravimetri (TG). Hela ribban motsvarar det belopp som elimineras i obehandlad hydrochar upp till 275 ° c under analys med TG (se figur 2). Detta belopp kan minskas genom termisk behandling av hydrochar proverna: med cirka 50 WT%, nämligen med 17,5 procentenheter, genom behandling vid 200 ° c (blå färg); en annan 11,1 procentenheter av behandlingen vid 250 ° c (röd färg); ytterligare temperaturhöjning av behandlings temperaturen visar endast minimala effekter, nämligen 0,84 och 0,95 procentenheter för behandlingarna vid 275 ° c (grått) respektive 300 ° c (orange). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Prov | Fukt | Vatten tillsatt | Totalt vatten | Tryck (varm/kall) | Sträck fast (torrt) | Sträck fast (torrt) | |
| Råvara | g | [WT%] | g | [WT%] | bar | g | [WT%] |
| Rester av frukt | |||||||
| Pistage-skal | 5,00 | 8,0 | 10,1 | 69,5 | 22/0 | 2,28 | 49 |
| Olivsten | 5,10 | 9,0 | 10,1 | 69,5 | 31/9 | 2,55 | 55 |
| Aprikos kärna | 8,74 | 11,5 | 3,33 | 35,9 | 26/13 | 2,56 | 33 |
| Plommon stenar | 4,95 | 33,6 | 10,2 | 78,3 | 28/9 | 2,11 | 64 |
| Körsbärs stenar | 7,61 | 45,8 | 4,03 | 64,6 | 30/10 | 2,62 | 64 |
| Nispero stenar | 10,7 | 53,0 | 2,41 | 61,6 | 40/14 | 2,57 | 51 |
| Nektarin stenar | 9,65 | 48,6 | 5,44 | 67,1 | 27/10 | 3,30 | 67 |
| Banana Skin | 15,2 | 89,0 | 2,27 | 90,4 | 25/9 | 0,93 | 56 |
| Melon Skin | 16,1 | 87,4 | 2,32 | 89,0 | 24/8 | 0,64 | 32 |
| Ananas kärna | 15,5 | 86,1 | 2,15 | 87,8 | 26/9 | 1,30 | 60 |
| Vegetabiliska rester, växter och örtartade material | |||||||
| Palmblad | 12,6 | 55,1 | 2,17 | 61,7 | 42/17 | 4,95 | 87 |
| Palm Tree | 15,0 | 78,5 | 2,11 | 81,2 | 23/4 | 1,47 | 45 |
| Ananaslöv | 15,4 | 78,4 | 1,74 | 80,6 | 21/8 | 1,00 | 30 |
| Kaffesump | 10,8 | 60,9 | 5,08 | 73,4 | 20/9 | 2,73 | 65 |
| Artishoke löv | 15,1 | 80,2 | 2,18 | 82,7 | 31/9 | 1,53 | 51 |
| Salladsblad | 15,3 | 91,3 | 1,77 | 92,2 | 20/5 | 0,39 | 29 |
| Calçot löv | 15,0 | 72,7 | 2,80 | 77,0 | 29/11 | 1,54 | 38 |
| Bönor Pods | 15,1 | 82,6 | 2,30 | 84,9 | 31/4 | 1,43 | 55 |
| Kompeterbara väskor | |||||||
| Kompeterbar påse för dagligt bruk | 5,01 | 0 | 10,0 | 66,7 | 20/4 | 2,08 | 42 |
| Väska för kompostering | 2,50 | 0 | 5,00 | 66,7 | 16/3 | 0,92 | 37 |
| Compostable kaffe kapsel (med Coffe Grounds) | 5,56 | 31,4 | 8,05 | 72,0 | 26/7 | 1,19 | 31 |
Tabell 1: experimentella data för hydrotermiska karbonizations.
Mängder av fasta ämnen och vatten som används för reaktioner och avkastning av hydrochar erhålls. Trycket värde indikerar det maximala trycket observeras vid upphettning till 215 ° c (varm) och efter kylning ner autoklav till rumstemperatur (kallt).
| C (DAF) | H (DAF) | N (DAF) | S (DAF) | |
| Råvara | [WT%] | [WT%] | [WT%] | [WT%] |
| Rester av frukt | ||||
| Pistage-skal | 68,0 | 4,66 | 0,34 | 0,00 |
| Olivsten | 70,0 | 5,97 | 0,81 | 0,00 |
| Aprikos kärna | 68,6 | 6,16 | 2,21 | 0,00 |
| Plommon stenar | 69,8 | 6,44 | 1,48 | 0,01 |
| Körsbärs stenar | 67,4 | 5,52 | 1,13 | 0,00 |
| Nispero stenar | 67,1 | 5,47 | 1,90 | 0,03 |
| Nektarin stenar | 68,8 | 5,39 | 0,88 | 0,04 |
| Banana Skin | 71,7 | 6,41 | 2,91 | 0,06 |
| Melon Skin | 69,1 | 6,24 | 2,56 | 0,08 |
| Ananas kärna | 68,3 | 5,33 | 1,54 | 0,02 |
| Vegetabiliska rester, växter och örtartade material | ||||
| Palmblad | 63,7 | 6,47 | 2,65 | 0,20 |
| Palm Tree | 63,2 | 6,09 | 2,02 | 0,03 |
| Ananaslöv | 60,0 | 6,52 | 2,24 | 0,11 |
| Kaffesump | 66,8 | 6,63 | 3,54 | 0,17 |
| Artishoke löv | 63,2 | 5,77 | 3,28 | 0,13 |
| Salladsblad | 57,8 | 6,09 | 3,48 | 0,18 |
| Calçot löv | 63,9 | 5,82 | 3,79 | 0,55 |
| Bönor Pods | 68,0 | 6,17 | 4,18 | 0,14 |
| Kompeterbara väskor | ||||
| Kompeterbar påse för dagligt bruk | 56,8 | 5,15 | 0,09 | 0 |
| Väska för kompostering | 61,1 | 5,38 | 0,09 | 0 |
| Compostable kaffe kapsel (med Coffe Grounds) | 60,5 | 5,57 | 2,56 | 0 |
Tabell 2: elementär analys av hydrochar prover.
| Egenskapen | Enhet | Värde |
| Askhalt (torr bas; 815 ° c) | [WT%] | 12,9 |
| Flyktiga ämnen (torr bas; 900 ° c) | [WT%] | 66,4 |
| Fast kol (torr bas) | [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: Proximat analys och elementär analys av hydrochar provet används i termiska behandlingar28.
| Avkastning | Avkastning | |||||||||||||
| initial vikt (hydrochar) | Temperatur | slutlig massa (hydrochar) | massa vätska | Af | Av | massbalans | avkastning fast | flyt vätska | Af | Av | ||||
| Intrade | 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 genomfört med hydrochar produceras från trädgårds-beskärning i stället för OFMSW. | ||||||||||||||
Tabell 4: experimentella data från termiska behandlingar.
Efter reaktionen återvinns en fast och en vätska. Vätskan separeras vid stående i en vatten (AF) och en organisk fraktion (av). Det saknade beloppet tillskrivs permanent gasbildning, t. ex., koldioxid och ofullständig kondensation av flyktiga ämnen såsom vatten.
Discussion
Den hydrotermiska karbonisering är en mycket motståndskraftig metod och ger alltid en kolhaltiga produkt, dvs hydrochar. Hydrocharens avkastning och egenskaper kan dock variera, inte bara på grund av reaktions förhållanden eller reaktions kontroll, utan snarare på grund av heterogenitet och variation av biomassan. Till exempel, Mass utbyte och C-innehåll kan vara högre för lignocellulosa biomassa med högre lignin innehåll eller vedartade material.
Om en högre karboniseringsgrad (kvantifieras genom elementaranalys) önskas, kan hydrocharen återsändas till karboniseringsreaktionen. Alternativt, i framtida reaktioner reaktionstid kan vara långvarig eller reaktions temperaturen kan ökas (försiktighet, autogena vattentrycket ökar exponentiellt med temperatur).
Resultatet av den termiska behandlingen beror också på sammansättningen av råmaterialet. Till exempel, om biomassan innebär andra organiska komponenter såsom vegetabilisk olja, kommer termisk behandling separera dessa flyktiga föreningar från den fasta och massförlust kommer att vara större.
I detta protokoll utförs båda stegen i batchläge. För industriell tillämpning måste hela produktionsprocessen utföras i kontinuerligt läge. Den hydrotermiska karboniseringen utförs redan som en kontinuerlig process26,27, men den termiska behandlingen måste fortfarande utvecklas ytterligare. Det slutliga målet är att omvandla OFMSW till ett kolhaltiga material med torv egenskaper så att anställa torv (anses vara ett fossilt material) ökningar inom jordbruk och trädgårdsodling med tydliga fördelar för miljön och som bidrar till klimat Ändra begränsning.
Disclosures
Marisa Hernandez och Borja Oliver-Tomas är anställda av Ingelia SL som producerade hydrochar prover som används i denna artikel. Maria Consuelo Hernández-Soto, Estefanía Ponce, och Michael Renz har ingenting att avslöja.
Acknowledgments
Författarna är tacksamma för det ekonomiska stöd som erhållits från Europeiska kommissionen under CharM och AdvCharM av Climate-KIC-programmet och från det spanska ministeriet för vetenskap, innovation och universitet under RTC-2017-6087-5 i "Investigación, Desarrollo e Innovacion Orientada a Los Retos de La Sociedad-programmet och under Severo Ochoa-programmet (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).
