Name: 将有机家庭剩剩食品转化为泥炭替代品 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-07-09T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 43 s
Description: 了解水热碳化法将有机家庭厨余转化为农业用碳材料的技术。该方法通过热处理和连续反应器工艺，有效减少化石肥料依赖并促进碳封存，为可持续废弃物管理提供创新解决方案。

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作者感谢欧洲委员会在气候-KIC计划的CharM和AdvCharM项目，以及西班牙科学、创新和大学部在“面向社会挑战的研究、开发与创新”计划（RTC-2017-6087-5）和塞韦罗·奥乔亚计划（SEV-2016-0683）下提供的财政支持。

1. 家庭厨余的水热碳化
<ol>
	<li>计算反应混合物所需的水量和生物质用量。
	<ol>
		<li>反应混合物应填充高压釜体积的一半。假设混合物的密度约为 1 g/mL，按质量计算所需用量。其中水大约占 80 wt%，其余为固体物质。总体含水量并非关键参数，可在 70 至 85 wt% 范围内变动。</li>
		<li>从厨房废弃物中选择生物质原料，例如水果皮或不可食用的蔬菜部分。为了精确计算第 1 节的质量平衡，将生物质样品在 100–105 °C 的烘箱中干燥 2 小时或过夜。所得质量即为生物质中的固体物质含量。也可使用文献数据（准确性较低）。</li>
		<li>计算为使高压釜中固体物质达到 20 wt%，所需加入的湿生物质质量，以及随其加入的水量；再计算为达到反应器中目标总水量还需额外添加的水量。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>装填高压釜。 
	警告：高压釜必须配备爆破压力为 50 bar 的爆破片。
	<ol>
		<li>按照步骤 1.1.3 的计算结果称取生物质和水，并将其一同加入高压釜中。</li>
		<li>关闭高压釜，并用氮气加压至 20 bar。确认在 30 分钟内无压力下降，以确保反应器已正确密封且无泄漏。释放压力后再次关闭反应器。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>碳化反应。
	<ol>
		<li>启动搅拌装置。在 30 分钟内将高压釜加热至 215 °C，并在此温度下保持至少 4 小时或过夜。</li>
		<li>在反应开始的前 2 小时内监测压力变化。通常情况下，压力随水的饱和蒸气压上升，最高达 21 bar。若压力未上升，则可能是加热系统故障或反应器密封不严。一旦发生此情况，应立即停止反应，并检查加热和密封状况。</li>
		<li>在极少数情况下（例如生物质易于脱羧），最大压力可能比 215 °C 下水蒸气压产生的 21 bar 高出 5 至 10 bar。若压力超过 35 bar，应立即关闭加热并中断反应。待其自然冷却至室温后，小心释放残余压力，并从步骤 1.3.1 重新开始。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>粗水热炭的回收。
	<ol>
		<li>待高压釜自然冷却至室温后，小心释放残余压力并打开高压釜。</li>
		<li>使用布氏漏斗进行真空抽滤，分离固相和液相。将液相作为含水危险实验室废液妥善处理。</li>
		<li>将固体产物在 100 至 105 °C 的烘箱中干燥 2 小时或过夜。计算第一步的质量平衡，即水热碳化过程（第 1 节）。计算时需考虑生物质的干重与产物的干重。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 批量模式下对原始水热炭进行热处理
<ol>
	<li>称取1 g干燥的原始水热炭，置于管式石英反应器（间歇反应器）的玻璃砂芯上。</li>
	<li>对于10至20 g等较大用量，应使用粒径为0.2至6 mm的颗粒化材料。否则，可能因形成优先通道而影响样品的均匀处理。</li>
	<li>将反应器加热套套上，并连接流速为20 mL/min的下向氮气流。在反应器出口下方放置一个小烧杯以收集冷凝液体。无需冷却。</li>
	<li>在出口处抽吸气体，并将其导至排风系统，或将整个反应器置于通风橱内。以10 °C/min的升温速率将反应器加热至275 °C，并在该温度下保持1 h。</li>
	<li>待反应器再次冷却至室温后，关闭气体流动。将烧杯中收集的液体弃入非卤化有机废液容器中。回收碳材料并称重。根据所用和所得质量，计算第2部分（即热处理过程）的质量平衡；并结合热处理所得质量与碳化步骤所用干燥生物质质量，计算整个反应的总质量平衡。</li>
</ol>
3. 通过热重分析（TG）对最终产物进行分析
<ol>
	<li>在研钵中将产物研碎，并在仪器的坩埚中称取10 mg样品。</li>
	<li>将坩埚放入热重（TG）仪器的自动进样器中，并选择分析条件：将最高温度设为600 °C，使用空气作为吹扫气体，升温速率为10 °C/min。</li>
	<li>开始分析。</li>
	<li>通过计算初始质量与在275 °C时测得质量之间的差值，量化热重曲线在275 °C处的质量损失（见图2）。将质量损失表示为初始质量的百分比。比较处理样品与原始样品的数值，可观察到明显降低。</li>
</ol>

<ol><li>Titirici, M. M., Thomas, A., Yu, S. H., Mueller, J. O., Antonietti, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+Synthesis+of+Mesoporous+Carbons+with+Bicontinuous+Pore+Morphology+from+Crude+Plant+Material+by+Hydrothermal+Carbonization%5BTitle%5D)+AND+%22Chemistry+of+Materials%22%5BJournal%5D)">Direct Synthesis of Mesoporous Carbons with Bicontinuous Pore Morphology from Crude Plant Material by Hydrothermal Carbonization.</a> Chemistry of Materials. 19 (17), 4205-4212 (2007).</li>
<li>Düdder, H., Wütscher, A., Stoll, R., Muhler, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+and+characterization+of+lignite-like+fuels+obtained+by+hydrothermal+carbonization+of+cellulose%5BTitle%5D)+AND+%22Fuel%22%5BJournal%5D)">Synthesis and characterization of lignite-like fuels obtained by hydrothermal carbonization of cellulose.</a> Fuel. 171, 54-58 (2016).</li>
<li>Funke, A., Ziegler, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+carbonization+of+biomass%3A+a+summary+and+discussion+of+chemical+mechanisms+for+process+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22Biofuels%2C+Bioproducts+and+Biorefining%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal carbonization of biomass: a summary and discussion of chemical mechanisms for process engineering.</a> Biofuels, Bioproducts and Biorefining. 4 (2), 160-177 (2010).</li>
<li>Titirici, M. M., Thomas, A., Antonietti, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Back+in+the+black%3A+Hydrothermal+carbonization+of+plant+material+as+an+efficient+chemical+process+to+treat+the+CO2+problem%3F%5BTitle%5D)+AND+%22New+Journal+of+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Back in the black: Hydrothermal carbonization of plant material as an efficient chemical process to treat the CO2 problem?</a> New Journal of Chemistry. 31 (6), 787-789 (2007).</li>
<li>Gruda, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Current+and+future+perspective+of+growing+media+in+Europe%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Horticulturae%22%5BJournal%5D)">Current and future perspective of growing media in Europe.</a> Acta Horticulturae. 960, 37-43 (2012).</li>
<li>Benavente, V., Calabuig, E., Fullana, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Upgrading+of+moist+agro-industrial+wastes+by+hydrothermal+carbonization%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Analytical+and+Applied+Pyrolysis%22%5BJournal%5D)">Upgrading of moist agro-industrial wastes by hydrothermal carbonization.</a> Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 113, 89-98 (2015).</li>
<li>Volpe, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((One+stage+olive+mill+waste+streams+valorisation+via+hydrothermal+carbonisation%5BTitle%5D)+AND+%22Waste+Management%22%5BJournal%5D)">One stage olive mill waste streams valorisation via hydrothermal carbonisation.</a> Waste Management. 80, 224-234 (2018).</li>
<li>Sabio, E., Álvarez-Murillo, A., Román, S., Ledesma, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conversion+of+tomato-peel+waste+into+solid+fuel+by+hydrothermal+carbonization%3A+Influence+of+the+processing+variables%5BTitle%5D)+AND+%22Waste+Management%22%5BJournal%5D)">Conversion of tomato-peel waste into solid fuel by hydrothermal carbonization: Influence of the processing variables.</a> Waste Management. 47, 122-132 (2016).</li>
<li>Lucian, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impact+of+hydrothermal+carbonization+conditions+on+the+formation+of+hydrochars+and+secondary+chars+from+the+organic+fraction+of+municipal+solid+waste%5BTitle%5D)+AND+%22Fuel%22%5BJournal%5D)">Impact of hydrothermal carbonization conditions on the formation of hydrochars and secondary chars from the organic fraction of municipal solid waste.</a> Fuel. 233, 257-268 (2018).</li>
<li>Mäkelä, M., Forsberg, J., Söderberg, C., Larsson, S. H., Dahl, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Process+water+properties+from+hydrothermal+carbonization+of+chemical+sludge+from+a+pulp+and+board+mill%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresource+Technology%22%5BJournal%5D)">Process water properties from hydrothermal carbonization of chemical sludge from a pulp and board mill.</a> Bioresource Technology. 263, 654-659 (2018).</li>
<li>Ulbrich, M., Preßl, D., Fendt, S., Gaderer, M., Spliethoff, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impact+of+HTC+reaction+conditions+on+the+hydrochar+properties+and+CO2+gasification+properties+of+spent+grains%5BTitle%5D)+AND+%22Fuel+Processing+Technology%22%5BJournal%5D)">Impact of HTC reaction conditions on the hydrochar properties and CO2 gasification properties of spent grains.</a> Fuel Processing Technology. 167, 663-669 (2017).</li>
<li>Hu, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Engineering+carbon+materials+from+the+hydrothermal+carbonization+process+of+biomass%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Engineering carbon materials from the hydrothermal carbonization process of biomass.</a> Advanced Materials. 22 (7), 813-828 (2010).</li>
<li>Sevilla, M., Fuertes, A. B., Rezan, D. C., Titirici, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Applications+of+Hydrothermal+Carbon+in+Modern+Nanotechnology%5BTitle%5D)+AND+%22Sustainable+Carbon+Materials+from+Hydrothermal+Processes%22%5BJournal%5D)">Applications of Hydrothermal Carbon in Modern Nanotechnology.</a> Sustainable Carbon Materials from Hydrothermal Processes. , 213-294 (2013).</li>
<li>Sánchez, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Greenhouse+gas+emissions+from+organic+waste+composting%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Chemistry+Letters%22%5BJournal%5D)">Greenhouse gas emissions from organic waste composting.</a> Environmental Chemistry Letters. 13 (3), 223-238 (2015).</li>
<li>Andersen, J. K., Boldrin, A., Christensen, T. H., Scheutz, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Greenhouse+gas+emissions+from+home+composting+of+organic+household+waste%5BTitle%5D)+AND+%22Waste+Management%22%5BJournal%5D)">Greenhouse gas emissions from home composting of organic household waste.</a> Waste Management. 30 (12), 2475-2482 (2010).</li>
<li>Owsianiak, M., Brooks, J., Renz, M., Laurent, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluating+climate+change+mitigation+potential+of+hydrochars%3A+compounding+insights+from+three+different+indicators%5BTitle%5D)+AND+%22GCB+Bioenergy%22%5BJournal%5D)">Evaluating climate change mitigation potential of hydrochars: compounding insights from three different indicators.</a> GCB Bioenergy. 10, 230-245 (2018).</li>
<li>Lorenz, K., Lal, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biochar+application+to+soil+for+climate+change+mitigation+by+soil+organic+carbon+sequestration%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Plant+Nutrition+and+Soil+Science%22%5BJournal%5D)">Biochar application to soil for climate change mitigation by soil organic carbon sequestration.</a> Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 177 (5), 651-670 (2014).</li>
<li>Solomon, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Indigenous+African+soil+enrichment+as+a+climate-smart+sustainable+agriculture+alternative%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Ecology+and+the+Environment%22%5BJournal%5D)">Indigenous African soil enrichment as a climate-smart sustainable agriculture alternative.</a> Frontiers in Ecology and the Environment. 14 (2), 71-76 (2016).</li>
<li>Glaser, B., Haumaier, L., Guggenberger, G., Zech, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+%E2%80%9CTerra+Preta%E2%80%9D+phenomenon%3A+a+model+for+sustainable+agriculture+in+the+humid+tropics%5BTitle%5D)+AND+%22Naturwissenschaften%22%5BJournal%5D)">The “Terra Preta” phenomenon: a model for sustainable agriculture in the humid tropics.</a> Naturwissenschaften. 88 (1), 37-41 (2001).</li>
<li>Fornes, F., Belda, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Acidification+with+nitric+acid+improves+chemical+characteristics+and+reduces+phytotoxicity+of+alkaline+chars%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Environmental+Management%22%5BJournal%5D)">Acidification with nitric acid improves chemical characteristics and reduces phytotoxicity of alkaline chars.</a> Journal of Environmental Management. 191, 237-243 (2017).</li>
<li>Fornes, F., Belda, R. M., Fernández de Córdova, P., Cebolla-Cornejo, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessment+of+biochar+and+hydrochar+as+minor+to+major+constituents+of+growing+media+for+containerized+tomato+production%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Science+of+Food+and+Agriculture%22%5BJournal%5D)">Assessment of biochar and hydrochar as minor to major constituents of growing media for containerized tomato production.</a> Journal of the Science of Food and Agriculture. 97 (11), 3675-3684 (2017).</li>
<li>Busch, D., Kammann, C., Grünhage, L., Müller, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simple+biotoxicity+tests+for+evaluation+of+carbonaceous+soil+additives%3A+Establishment+and+reproducibility+of+four+test+procedures%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Environmental+Quality%22%5BJournal%5D)">Simple biotoxicity tests for evaluation of carbonaceous soil additives: Establishment and reproducibility of four test procedures.</a> Journal of Environmental Quality. 41 (4), 1023-1032 (2012).</li>
<li>Dalias, P., Prasad, M., Mumme, J., Kern, J., Stylianou, M., Christou, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low-cost+post-treatments+improve+the+efficacy+of+hydrochar+as+peat+replacement+in+growing+media%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Environmental+Chemical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Low-cost post-treatments improve the efficacy of hydrochar as peat replacement in growing media.</a> Journal of Environmental Chemical Engineering. 6 (5), 6647(2018).</li>
<li>Busch, D., Stark, A., Kammann, C. I., Glaser, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Genotoxic+and+phytotoxic+risk+assessment+of+fresh+and+treated+hydrochar+from+hydrothermal+carbonization+compared+to+biochar+from+pyrolysis%5BTitle%5D)+AND+%22Ecotoxicology+and+Environmental+Safety%22%5BJournal%5D)">Genotoxic and phytotoxic risk assessment of fresh and treated hydrochar from hydrothermal carbonization compared to biochar from pyrolysis.</a> Ecotoxicology and Environmental Safety. 97, 59(2013).</li>
<li>Hitzl, M., Mendez, A., Owsianiak, M., Renz, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Making+hydrochar+suitable+for+agricultural+soil%3A+A+thermal+treatment+to+remove+organic+phytotoxic+compounds%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Environmental+Chemical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Making hydrochar suitable for agricultural soil: A thermal treatment to remove organic phytotoxic compounds.</a> Journal of Environmental Chemical Engineering. 6 (6), 7029-7034 (2018).</li>
<li>Hitzl, M., Corma, A., Pomares, F., Renz, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+hydrothermal+carbonization+%28HTC%29+plant+as+a+decentral+biorefinery+for+wet+biomass%5BTitle%5D)+AND+%22Catalysis+Today%22%5BJournal%5D)">The hydrothermal carbonization (HTC) plant as a decentral biorefinery for wet biomass.</a> Catalysis Today. 257 (P2), 154-159 (2015).</li>
<li>Burguete, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fuel+and+chemicals+from+wet+lignocellulosic+biomass+waste+streams+by+hydrothermal+carbonization%5BTitle%5D)+AND+%22Green+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Fuel and chemicals from wet lignocellulosic biomass waste streams by hydrothermal carbonization.</a> Green Chemistry. 18 (4), 1051-1060 (2016).</li>
<li>Zucconi, F., Monaco, A., Forte, M., De Bertoldi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phytotoxins+during+the+stabilization+of+organic+matter%5BTitle%5D)+AND+%22Composting+of+Agricultural+and+Other+Wastes%22%5BJournal%5D)">Phytotoxins during the stabilization of organic matter.</a> Composting of Agricultural and Other Wastes. , (1985).</li>
</ol>

Marisa Hernandez 和 Borja Oliver-Tomas 是 Ingelia SL 的员工，该公司生产了本文所使用的水热炭样品。Maria Consuelo Hernández-Soto、Estefanía Ponce 和 Michael Renz 无任何利益冲突需要披露。

水热碳化是一种非常稳定的方法，总能产生一种碳质产物，即水热炭。然而，水热炭的产率和性质可能会有所不同，这不仅取决于反应条件或反应控制，更主要取决于生物质本身的异质性和变异性。例如，木质素含量较高的木质纤维素类生物质或木本材料，其质量产率和碳含量可能更高。
如果需要更高的碳化程度（通过元素分析进行量化），可将水热炭再次进行碳化反应。或者，在后续反应中可延长反应时间或提高反应温度（注意：水的自生压力随温度呈指数增长）。
热处理的结果还取决于原料的组成。例如，如果生物质中含有其他有机成分（如植物油），热处理将使这些挥发性化合物从固体中分离出来，从而导致更大的质量损失。
在本方案中，两个步骤均以批次模式进行。对于工业应用，整个生产过程需以连续模式完成。水热碳化已作为连续过程实施26,27，但热处理步骤仍需进一步开发。最终目标是将城市固体废弃物中的有机组分转化为具有泥炭特性的碳质材料，从而在农业和园艺中替代被视为化石材料的泥炭，为环境带来显著益处，并有助于缓解气候变化。

水热碳化（HTC）是一种新兴的湿态木质纤维素资源废弃物处理技术。该技术由 Antonietti 和 Titirici 重新发现，并已应用于松针、松果、橡树叶和橙皮1。在此过程中，生物质被转化为水热炭（hydrochar），一种类似于褐煤2,3或泥炭4,5的富碳固体。自那时起，许多残余原料已被用于该工艺，包括农业工业废弃物6,7,8、城市固体废弃物中的有机组分（OFMSW）9以及造纸厂污泥10。该技术还被用作热解和气化的生物质预处理手段11。此外，该方法可利用糖类或纤维素等均质可再生资源制备现代纳米技术材料。这些先进材料在未来有望应用于可充电电池、燃料电池或超级电容器的电极、气体储存、传感器以及药物递送系统12,13。
水炭是一种碳质材料，因此可用作可再生固体燃料，特别是当其由低价值、成分异质且随季节或地域变化的资源制成时。然而，将水炭用于土壤改良而非直接燃烧，将在减缓气候变化方面产生三重贡献。首先，选择水热炭化（HTC）作为废弃物处理技术，可避免在堆肥或无控分解过程中释放强效温室气体甲烷14,15。其次，避免在短期内燃烧水炭，而将其施用于土壤，可将二氧化碳从大气中长期移除，即实现真正的碳捕集与封存（CCS）16,17。第三，总体而言，添加炭的土壤肥力更高（黑土），植物生长得以增强18,19。这不仅减少了化肥使用及其生产相关的二氧化碳排放，还有助于资源保护。此外，植物的额外生长可从大气中移除更多的二氧化碳。
尽管将水热炭施用于土壤具有诸多明显优势的观点已十分明确，但该材料存在一个弊端：原始水热炭的行为特性并不完全等同于通过热解产生的生物炭。水热炭并不能显著促进植物生长，更糟糕的是，它常常产生一定的负面效应20,21,22。因此，农民缺乏使用它的积极性，更不愿为此支付费用。幸运的是，这一缺点可以被缓解甚至消除。最简单的方法是等待至第二个种植周期再施用22。此外，洗涤处理20,21,22,23或共堆肥化24也被证实是有效的改良手段。然而，所有这些方法均需要耗费时间，或会产生需要进一步处理的废水流。
最近研究表明，原始水热炭可进行温和的热后处理25。该工艺的目的是简单地脱附不期望的挥发性有害物质。由此产生的主要为有机物的浓缩气流可在现场进行热能资源化利用，从而改善水热碳化装置的能量平衡，并避免副产物流带来的任何环境风险。发芽试验表明，当处理温度达到275 °C或更高时，该处理是成功的。
本方案（见图1）包括两个反应步骤和一种简便的分析方法，用于评估反应结果。第一步是在215 °C和21 bar压力下，于高压釜中将生物质转化为粗水热炭。此处以家庭废弃物作为起始原料，包括各种植物性材料，如果皮、果核、不可食用的蔬菜部分、咖啡渣、厨房用纸、可堆肥塑料袋等。通过过滤收集所得的碳质材料并进行干燥。第二步将该材料置于垂直管式反应器的玻璃砂芯上，并使气体以向下流动的方式通过。将反应管加热至275 °C，保持1小时。所得固体产物在空气中通过热重分析（TG）进行检测，量化其升温至275 °C之前的质量损失，并与未经处理的水热炭所观察到的质量损失进行比较。该碳材料还可通过元素分析（C、H、N和S）、灰分含量及灰分组成（主要为Ca、Al、Si和P）进一步表征。

<table><tbody><tr><td>容积为 100 至 500 mL 的高压灭菌器</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>带玻璃砂芯的连续流动管式煅烧反应器</td><td></td><td></td><td>石英管：长 37 cm，外径 20 mm，距管顶 22 cm 处设有玻璃砂芯（厚度 3 mm）</td></tr><tr><td>真空过滤系统</td><td></td><td></td><td>布氏漏斗、滤纸、抽滤瓶</td></tr><tr><td>用于在 100 &amp;deg;C 下干燥样品的烘箱</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>热重分析仪</td><td></td><td></td><td>例如 Netzsch STA 449F3 Jupiter，配备 Netzsch STA 449F3 软件和用于自动进样器控制的 Netzsch ASC Manager 软件</td></tr><tr><td>各类植物生物质（示例见表 1 和表 2），包括：</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>BASF 公司提供的可堆肥塑料袋</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>由当地垃圾管理机构提供的用于收集家庭有机垃圾的塑料袋</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>BASF 公司生产的可堆肥咖啡胶囊 ecovio</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

将有机厨余垃圾转化为泥炭替代品

Transformation of Organic Household Leftovers into a Peat Substitute

本文描述了一种两步法工艺，用于合成一种在组成和性质上与泥炭相似的碳材料。通过去除抑制植物生长的物质，使所制备的水热炭适用于农业应用。将果皮、咖啡渣、不可食用的蔬菜残余等湿生活垃圾，或一般性的湿木质纤维素材料，在高压反应釜中于215 °C和21 bar条件下与水共同处理，即进行水热碳化。这些废弃物的含水量较高，可达90%（质量分数，wt%）。通过额外添加水，该方法还可拓展至较干燥的材料，如坚果壳、园林修剪物以及可堆肥聚合物，例如用于收集废弃物的塑料袋。
通常，将所得的碳材料（称为水热炭）添加到土壤中会对植物生长产生抑制作用。据推测，这种效应是由吸附的植物毒性化合物引起的。在惰性气氛（无氧条件）下于275 °C进行简单的后续处理，即可去除这些物质。因此，将原始水热炭置于垂直管式石英反应器的玻璃砂芯上，通入向下流动的氮气气流，并使用加热套将反应管加热至目标温度，持续最长一小时。
通过在空气中进行的热重分析（TG）可轻松量化热处理的效果。当温度达到275 °C时，由于挥发性成分脱附，可观察到质量损失。与未经处理的水热炭相比，最终材料中的挥发性成分含量有所降低。
这种两步处理法可将家庭厨余垃圾（包括用于收集厨余的可降解垃圾袋）转化为一种碳材料，该材料既可作为植物生长促进剂，同时又能作为碳汇，有助于减缓气候变化。

本文介绍了一种在高压釜中对蔬菜类食物废弃物进行水热碳化，随后在连续流动反应器中于275 °C进行干热处理以脱除挥发性有机物质的实验方案。其目标是制备一种适合作为土壤改良剂或基质组分的碳材料。

一种两步法被用于合成具有与泥炭相似组成和性质的碳材料。所制备的水热炭是通过……

我们利用残余物生产一种泥炭替代品。该方法在有机废弃物处理方面具有一定的应用潜力。其具体成分并不重要，且可容忍季节性变化。它为水热炭作为固体燃料的使用提供了替代方案，从而通过碳捕获与封存以及节约化石肥料来帮助减缓气候变化。必须将外夹紧密闭合，否则由于水分流失，导线的组成可能在加热过程中发生变化，导致反应必须使用新鲜混合物重新进行。水热碳化后的残余压力无需过于关注。处理生物质时，情况难以预测。我们观察到残余压力既有非常低的情况，也有非常高的情况。用于热处理的井必须较细。如果过于致密，可能会因合理原因形成优先通道，导致处理不均匀，从而产生不合适的材料。首先，从厨房剩余物中选取生物质原料，例如果皮或不可食用的蔬菜部分。将生物质样品置于烘箱中，在100–105摄氏度下干燥两小时或过夜。称量干燥后的样品。计算反应混合物所需的水和生物量的合适用量。使反应混合物的体积为高压釜体积的一半，且在水热碳化过程中的水含量为85 wt%。假设混合物的密度约为1 g/mL。将生物质和水加入配有爆破片且设定爆破压力为50 bar的高压灭菌釜中。关闭灭菌釜，并打开氮气管线，将其加压至20 bar。在接下来的30分钟内，检查压力计以确认无压力损失，表明容器已正确关闭且无泄漏。然后打开出口阀释放压力，并再次关闭容器。此时，启动搅拌。在30分钟内将高压釜加热至215摄氏度，并维持该温度至少四小时或过夜，以进行碳化反应。在前两小时内监测压力，压力将随水的蒸气压曲线升至最高21 bar。当高压釜通过自然冷却降至室温后，小心释放任何残余压力，并打开高压釜。使用布氏漏斗在减压条件下过滤混合物，以分离固相和液相，从而回收水热炭。将液相作为危险实验室废物处理。将固相置于100–105°C的烘箱中干燥两小时或过夜。随后，称量干燥后的样品。计算水热碳化的质量平衡，需考虑生物质的干重以及水热炭产物的干重。在管式石英间歇反应器的玻璃砂芯上，称取2-3 g干燥的原始水热炭，用于均匀处理。对于较大量的样品（如10-20 g），请使用粒径为0.2-6 mm的颗粒化材料。在通风橱中，将热电偶通过测温孔插入管式石英反应器，使其末端到达放置在砂芯上的物料床层。将反应器放入加热套中，并连接反应器至每分钟20 ml的氮气流。在反应器出口下方放置一个小玻璃瓶，用于收集冷凝液体。以每分钟10摄氏度的升温速率将反应器加热至275摄氏度。在此温度下维持一小时。当冷却至室温后，关闭气体流动。将烧杯中收集的液体弃置到非卤化有机废液中。将反应器翻转，将碳材料回收至坩埚中并称重。根据热处理所得的质量和碳化步骤中使用的干生物量，计算热处理的质量平衡。首先，将样品在研钵中研碎，并在热重分析仪的坩埚中称取10 mg样品。将装有样品的坩埚放入热重分析仪的自动进样器中，并将最高温度设定为600摄氏度。以空气作为吹扫气体，升温速率为每分钟10摄氏度。按下鼠标按钮以开始分析。通过计算初始重量与在275摄氏度时观测重量之间的差值，量化TG曲线在275摄氏度时的质量损失。本方案通过两个步骤将厨房废弃物转化为适用于农业应用的水热炭。水热碳化后接热后处理。在碳化反应中，湿的木质纤维素生物质被转化为呈棕色的碳质材料。棕色越深，表明碳化反应进行得越充分。碳化反应过程中的压力必须升高至至少21 bar，这是250摄氏度时的自生蒸汽压。然而，通常情况下，压力在一定程度上是不可预测的，它取决于生物质的种类及其降解状态。碳化的质量产率范围较广，为30%-90%（重量百分比）。木质化程度较高、木质素含量较高的材料通常质量产率较高，而纯糖类聚合物（如淀粉）的质量产率则较低。水热炭样品的热重分析显示，在200至300摄氏度的热处理过程中，挥发分的损失小于原始水热炭的挥发分损失。在275摄氏度时，未处理的水热炭样品的质量损失为34.6重量百分比。在200摄氏度处理后，挥发分含量减少了17.5%。在250、275和300摄氏度处理后，相应的质量损失分别为总质量的6.01%、5.17%和4.22%重量百分比。此外，初始含水量对反应结果并不关键。需注意，浓度更高的溶液可提供更多的有机固体产物。若以酿酒副产物谷物或农业工业残留物等更为均一的原料为起点，则可生产出更高价值的材料。在第二次处理过程中应用更高的温度会增加碳含量。人们已提出将水热炭用于多种用途，例如作为溶剂、活性炭或电池中的电极。这种先进材料的制备通常包含一个最终的热处理步骤。水热碳化技术已经实现工业化规模的放大。在此规模下，原料具有高度的异质性和变异性。在此，您可以看到园艺废弃物正在被处理。目前，商业产品是颗粒，即您所说的固体燃料；经过二次处理后，可产生一种固体产物，从而增加原料在减缓气候变化方面的贡献。

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Research

科研

JoVE Journal

Chemistry

化学

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