Name: Przekształcanie organicznych resztek z gospodarstw domowych w substytut torfu (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-07-09T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 43 s
Description: Poznaj metodę przekształcania odpadów kuchennych w hydrochar poprzez karbonizację hydrotermiczną i obróbkę termiczną. Ten protokół pozwala wytworzyć materiał węglowy zastępujący torf w rolnictwie.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy są wdzięczni za wsparcie finansowe otrzymane od Komisji Europejskiej w ramach CharM i AdvCharM programu Climate-KIC oraz od hiszpańskiego Ministerstwa Nauki, Innowacji i Uniwersytetów w ramach RTC-2017-6087-5 programu "Investigación, Desarrollo e Innovación Orientada a los Retos de la Sociedad" oraz w ramach programu Severo Ochoa (SEV-2016-0683).

1. Hydrotermalna karbonizacja resztek z gospodarstw domowych
<ol>
	<li>Obliczanie odpowiednich ilości wody i biomasy dla mieszaniny reakcyjnej.
	<ol>
		<li>Mieszanina reakcyjna musi wypełniać połowę objętości autoklawu. Załóżmy, że gęstość mieszaniny wynosi około 1 g/ml i obliczyć ilości wagowo. Około 80% wag. powinna stanowić woda, a reszta ciała stałego. Ogólna zawartość wody nie jest kluczowa i może wynosić od 70 do 85% wagowych.</li>
		<li>Wybierz biomasę z resztek kuchennych, takich jak skórki owoców lub niejadalne części warzyw. W celu obliczenia dokładnego bilansu masy dla sekcji 1 należy wysuszyć próbkę biomasy w temperaturze 100–105 °C w piecu przez 2 godziny lub przez noc. Uzyskana masa jest materią stałą biomasy. Alternatywnie można skorzystać z danych literaturowych (dokładność jest zmniejszona).</li>
		<li>Oblicz, ile mokrej biomasy potrzeba do napełnienia autoklawu 20% wag. masy masy i ile wody należy wprowadzić wraz z nim. Oblicz, ile wody jest potrzebne, aby osiągnąć żądaną ilość wody w reaktorze.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Ładowanie autoklawu. 
	UWAGA: Autoklaw musi być wyposażony w płytkę bezpieczeństwa o ciśnieniu rozrywającym 50 barów.
	<ol>
		<li>Zważyć biomasę i wodę zgodnie z obliczeniami w kroku 1.1.3 i wprowadzić je do autoklawu.</li>
		<li>Zamknij autoklaw i napełnij go azotem pod ciśnieniem do 20 barów. Upewnij się, że nie ma spadku ciśnienia powyżej 30 minut. Dzięki temu naczynie jest prawidłowo zamknięte bez żadnych wycieków. Zwolnij ciśnienie i ponownie zamknij naczynie.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Reakcja karbonizacji.
	<ol>
		<li>Włącz mieszanie. Podgrzać autoklaw do 215 °C w ciągu 30 minut i utrzymywać temperaturę przez co najmniej 4 godziny lub przez noc.</li>
		<li>Monitoruj ciśnienie przez pierwsze 2 godziny. Ogólnie rzecz biorąc, podąża za krzywą prężności pary wody do 21 barów. Jeśli ciśnienie nie wzrasta, oznacza to, że albo ogrzewanie nie działa prawidłowo, albo naczynie nie jest prawidłowo zamknięte. Jeśli tak się stanie, przerwij reakcję i sprawdź ogrzewanie i uszczelnienie.</li>
		<li>W rzadkich przypadkach, np. gdy biomasa jest podatna na dekarboksylację, maksymalne ciśnienie może być o 5–10 barów wyższe niż ciśnienie 21 barów spowodowane ciśnieniem pary o temperaturze 215 °C. Jeśli ciśnienie przekroczy 35 barów, wyłącz ogrzewanie i przerwij reakcję. Po ostygnięciu do temperatury pokojowej ostrożnie zwolnij pozostałe ciśnienie i zacznij ponownie od kroku 1.3.1.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Odzysk surowego wodorowęgla.
	<ol>
		<li>Gdy autoklaw ostygnie do temperatury pokojowej przez naturalne chłodzenie, ostrożnie zwolnij ciśnienie resztkowe i otwórz autoklaw.</li>
		<li>Oddzielić ciało stałe i ciecz przez filtrację próżniową za pomocą lejka Buchnera. Fazę ciekłą należy utylizować w postaci roztworu wodnego wraz z niebezpiecznymi odpadami laboratoryjnymi.</li>
		<li>Suszyć ciało stałe w temperaturze od 100 do 105 °C w piekarniku przez 2 godziny lub przez noc. Obliczyć bilans masy pierwszego etapu, tj. karbonizacji hydrotermalnej (sekcja 1). W tym celu należy wziąć pod uwagę suchą masę biomasy i suchą masę produktu.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Obróbka termiczna surowego hydrowęgla w trybie wsadowym
<ol>
	<li>Odważyć 1 g suchego surowego wodorowęgla i umieścić go na frycie szklanej rurowego reaktora kwarcowego (reaktor okresowy).</li>
	<li>W przypadku większych ilości, takich jak od 10 do 20 g, należy użyć granulowanego materiału o wielkości cząstek od 0,2 do 6 mm. W przeciwnym razie występowanie preferowanych kanałów może utrudnić jednorodną obróbkę próbki.</li>
	<li>Umieścić płaszcz grzewczy reaktora i podłączyć strumień azotu o przepływie 20 ml/min w dół. Umieść małą zlewkę poniżej wylotu reaktora, aby zebrać skondensowane ciecze. Chłodzenie nie jest wymagane.</li>
	<li>Zassać gazy na wylocie i doprowadzić je do wydechu lub umieścić cały reaktor w okapie. Podgrzać reaktor do temperatury 275 °C z rampą 10 stopni/min. Utrzymuj temperaturę przez 1 godzinę.</li>
	<li>Po ponownym schłodzeniu do temperatury pokojowej odłączyć dopływ gazu. Wylać ciecz zebraną w zlewce do niehalogenowych pozostałości organicznych. Odzyskaj materiał węglowy i zważ go. Oblicza się bilans masy dla sekcji 2, tj. obróbki termicznej, na podstawie zastosowanych i otrzymanych mas oraz dla ogólnej reakcji masy uzyskanej w procesie obróbki termicznej i suchej biomasy zastosowanej na etapie karbonizacji.</li>
</ol>
3. Analiza produktu końcowego za pomocą termograwimetrii (TG)
<ol>
	<li>Rozdrobnić produkt w moździerzu i zważyć próbkę o mocy 10 mg w tyglu aparatu.</li>
	<li>Umieścić tygiel w automatycznym podajniku próbek aparatu TG i wybrać warunki analizy: ustawić maksymalną temperaturę do 600 °C i zastosować powietrze jako gaz do wymiatania i rampę temperatury 10 stopni/min.</li>
	<li>Rozpocznij analizę.</li>
	<li>Określ ilościowo ubytek masy w temperaturze 275 °C na krzywej TG, obliczając różnicę między masą początkową a masą obserwowaną w tej temperaturze (patrz <silna klasa="xfig">Rysunek 2). Ubytek masy należy wyrazić w procentach masy początkowej. Porównaj wartości próbek poddanych działaniu substancji i surowych. Obserwuje się wyraźną redukcję.</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 i Borja Oliver-Tomas są pracownikami firmy Ingelia SL, która wyprodukowała próbki hydrowęgla wykorzystane w tym artykule. Maria Consuelo Hernández-Soto, Estefanía Ponce i Michael Renz nie mają nic do ujawnienia.

Karbonizacja hydrotermalna jest bardzo odporną metodą i zawsze dostarcza produktu węglowego, tj. hydrowęgla. Jednak wydajność i właściwości hydrowęgla mogą się różnić, nie tylko ze względu na warunki reakcji lub kontrolę reakcji, ale raczej ze względu na niejednorodność i zmienność biomasy. Na przykład uzysk masowy i zawartość węgla mogą być wyższe w przypadku biomasy lignocelulozowej o wyższej zawartości ligniny lub materiałów drzewnych.
W przypadku, gdy pożądany jest wyższy stopień karbonizacji (określony ilościowo za pomocą analizy elementarnej), hydrowęgiel można ponownie poddać reakcji karbonizacji. Alternatywnie, w przyszłych reakcjach czas reakcji może zostać wydłużony lub temperatura reakcji może zostać zwiększona (uwaga, ciśnienie wody autogenicznej wzrasta wykładniczo wraz z temperaturą).
Wynik obróbki termicznej zależy również od składu surowca. Na przykład, jeśli biomasa obejmuje inne składniki organiczne, takie jak olej roślinny, obróbka termiczna oddzieli te lotne związki od ciała stałego, a utrata masy będzie większa.
W niniejszym protokole oba kroki są wykonywane w trybie wsadowym. W przypadku zastosowań przemysłowych cały proces produkcyjny musi odbywać się w trybie ciągłym. Karbonizacja hydrotermalna jest już przeprowadzana jako proces ciągły26,27, ale obróbka termiczna musi być jeszcze dalej rozwijana. Ostatecznym celem jest przekształcenie OFMSW w materiał węglowy o właściwościach torfowych, tak aby wykorzystanie torfu (uważanego za materiał kopalny) zwiększyło się w rolnictwie i ogrodnictwie, przynosząc wyraźne korzyści dla środowiska i przyczyniając się do łagodzenia zmian klimatu.

Karbonizacja hydrotermalna (HTC) to nowa technologia zagospodarowania mokrych zasobów lignocelulozowych. Technologia ta została ponownie odkryta przez Antoniettiego i Titiriciego i zastosowana do igieł sosnowych, szyszek sosnowych, liści dębu i skórki pomarańczy1. W ten sposób biomasa jest przekształcana w hydrowęgiel, węglowe ciało stałe podobne do węgla brunatnego2,3 lub peat4,5. Od tego czasu przetworzono wiele pozostałych surowców, takich jak odpady rolno-przemysłowe6,7,8, organiczna frakcja stałych odpadów komunalnych (OFMSW)9, lub osad papierniczy10. Technologia ta jest również wykorzystywana do wstępnego przetwarzania biomasy do pirolizy i zgazowania11. Ponadto procedura zapewnia nowoczesne materiały nanotechnologiczne z jednorodnych zasobów odnawialnych, takich jak cukry czy celuloza. Te zaawansowane materiały mają potencjał do przyszłych zastosowań jako elektrody do akumulatorów, ogniw paliwowych lub superkondensatorów, magazynowanie gazu, czujniki lub dostarczanie leków12,13.
Hydrowęgiel jest materiałem węglowym i jako taki może być używany jako odnawialne paliwo stałe, zwłaszcza gdy jest produkowany z niskowartościowych, niejednorodnych zasobów o zmiennym (sezonowym lub regionalnym) składzie. Jednak produkcja wodorowęgla i jego stosowanie w glebie, a nie jego natychmiastowe spalanie, będzie miało potrójny wkład w łagodzenie zmiany klimatu. Po pierwsze, wybór HTC jako technologii gospodarki odpadami pozwala uniknąć emisji silnego gazu cieplarnianego metanu podczas kompostowania lub niekontrolowanego rozkładu14,15. Po drugie, unikanie spalania wodorowęgla po krótkim czasie i naniesienie go na glebę, usuwa dwutlenek węgla z atmosfery na dłuższy okres czasu, czyli polega na rzeczywistym wychwytywaniu i składowaniu dwutlenku węgla (CCS)16,17. Po trzecie, ogólnie rzecz biorąc, gleby wzbogacone o zwęglenie są glebami żyznymi (czarne gleby) i zwiększa się wzrost roślin. 18,19 Zmniejsza to zużycie nawozów i emisję dwutlenku węgla związaną z ich produkcją, a także chroni zasoby. Co więcej, dodatkowy wzrost roślin usuwa więcej dwutlenku węgla z atmosfery.
Chociaż jest całkiem jasne, że istnieje wiele oczywistych argumentów przemawiających za zastosowaniem hydrowęgla do gleby, materiał ten wiąże się z pewną niedogodnością: surowy hydrowęgiel nie zachowuje się dokładnie jak biowęgiel wytwarzany przez pirolizę. Hydrowęgiel nie przyspiesza wyraźnie wzrostu roślin, a co gorsza, często wywołuje raczej negatywny efekt20,21,22. W związku z tym rolnicy nie są zachęcani do jej stosowania, a tym bardziej do płacenia za nią pieniędzy. Na szczęście tę wadę można złagodzić lub wyeliminować. Najprostszym podejściem jest po prostu poczekanie na drugi cykl uprawy22. Również washings20,21,22,23 lub co-composting24 są skutecznymi zabiegami w tym celu. Jednak wszystkie te procedury wymagają czasu lub wytwarzają strumień wodny, który wymaga dalszej pielęgnacji.
Ostatnio wykazano, że surowy hydrowęgiel może być poddany miękkiej termicznej obróbce końcowej25. Celem tej procedury jest po prostu desorpcja niepożądanych substancji lotnych i szkodliwych. Powstały w ten sposób skoncentrowany przepływ głównie materii organicznej może być waloryzowany termicznie in situ. W ten sposób poprawia się bilans energetyczny zakładu HTC i zapobiega się wszelkim zagrożeniom środowiskowym związanym ze strumieniem bocznym. Testy kiełkowania pokazują, że zabieg jest skuteczny, gdy jest przeprowadzany w temperaturach 275 °C lub wyższych.
Obecny protokół (zobacz Rysunek 1) obejmuje dwa etapy reakcji i jedną prostą metodę analityczną do oceny wyniku reakcji. W pierwszym etapie biomasa jest przekształcana w surowy hydrowęgiel w autoklawie w temperaturze 215 °C i pod ciśnieniem 21 barów. Tutaj jako materiał wyjściowy wykorzystuje się resztki z gospodarstw domowych. Należą do nich wszelkiego rodzaju materiały roślinne, takie jak skórki owoców, pestki owoców, niejadalne części warzyw, fusy z kawy, papier kuchenny, kompostowalne torby plastikowe itp. Materiał węglowy jest zbierany przez filtrację i suszony. W drugim etapie umieszcza się go na frycie szklanej pionowego reaktora rurowego, stosując przepływ gazu w kierunku przepływu w dół. Rurkę podgrzewa się do temperatury 275 °C przez 1 godzinę. Otrzymane ciało stałe jest analizowane za pomocą termograwimetrii (TG) w powietrzu. Ubytek materiału do 275 °C określa się ilościowo i porównuje z ubytkiem zaobserwowanym w przypadku nieoczyszczonego wodorowęgla. Materiał węglowy można dodatkowo scharakteryzować za pomocą analizy pierwiastkowej (C, H, N i S), zawartości popiołu i składu popiołu (głównie Ca, Al, Si i P).

<table><tbody><tr><td>Autoklaw o pojemności naczynia od 100 do 500 ml</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Rurowy reaktor kalcynacyjny o ciągłym przepływie z frytą</td><td></td><td></td> szklaną <td>Rurka Cuartza: 37 cm długości, średnica zewnętrzna 20 mm, fryta szklana (grubość 3 mm) w odległości 22 cm od górnej części rurki</td></tr><tr><td>System filtracji próżniowej</td><td></td><td></td><td>Lejek Buchnera, bibuła filtracyjna, kolba filtracyjna</td></tr><tr><td>Piec do suszenia próbek w temperaturze 100 &; C</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Analizator</td><td></td><td></td> termograwimetryczny <td>Np. Netzsch STA 449F3 Jupiter z oprogramowaniem Netzsch STA 449F3 i oprogramowaniem Netzsch ASC Manager do sterowania automatycznym podajnikiem próbek</td></tr><tr><td>Dowolny król biomasy roślinnej (przykłady patrz tabele 1 i 2), w tym:</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Kompostowalne torby foliowe firmy BASF</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Worki foliowe do zbiórki frakcji organicznej w gospodarstwach domowych, dostarczane przez lokalnych gospodarców</td><td></td><td></td><td></td>odpadów</tr><tr><td>Kompostowalne kapsułki do kawy ecovio (BASF)</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

przekształcanie organicznych resztek z gospodarstw domowych w substytut torfu

Transformation of Organic Household Leftovers into a Peat Substitute

Opisana jest dwuetapowa procedura syntezy materiału węglowego o podobnym składzie i właściwościach jak torf. Wyprodukowany hydrowęgiel nadaje się do zastosowań rolniczych poprzez usunięcie substancji hamujących wzrost roślin. Wilgotne odpady z gospodarstw domowych, takie jak skórki owoców, fusy z kawy, niejadalne części warzyw lub ogólnie mokry materiał lignocelulozowy, są przetwarzane w autoklawie w obecności wody o temperaturze 215 °C i ciśnieniu 21 barów, tj. przez karbonizację hydrotermalną. Wszystkie te resztki mają znaczną zawartość wody do 90% wagowych (wt%). Dodanie wody rozszerza procedurę na bardziej suche materiały, takie jak łupiny orzechów, a nawet przycinanie ogrodowe i kompostowalne polimery, tj. plastikową torbę do zbierania resztek.
Zazwyczaj, powstały materiał węglowy, zwany hydrowęglem, ma negatywny wpływ na wzrost roślin, gdy jest dodawany do gleby. Przypuszcza się, że efekt ten jest spowodowany przez zaadsorbowane związki fitotoksyczne. Prosta obróbka końcowa w atmosferze obojętnej (brak tlenu) w temperaturze 275 °C usuwa te substancje. Dlatego surowy hydrowęgiel umieszcza się na frycie szklanej pionowego rurowego reaktora kwarcowego. Przepływ azotu jest stosowany w kierunku przepływu w dół. Rura jest podgrzewana do żądanej temperatury za pomocą płaszcza grzewczego przez okres do jednej godziny.
Sukces obróbki termicznej można łatwo określić ilościowo za pomocą termograwimetrii (TG), przeprowadzanej w powietrzu. Ubytek masy określa się po osiągnięciu temperatury 275 °C, ponieważ zawartość lotna ulega desorpcji. Jego ilość jest zmniejszona w materiale końcowym w porównaniu z nieprzetworzonym hydrowęglem.
Dwuetapowa obróbka przekształca resztki z gospodarstw domowych, w tym kompostowalne torby używane do ich zbierania, w materiał węglowy, który może służyć jako stymulator wzrostu roślin, a jednocześnie jako pochłaniacz dwutlenku węgla dla łagodzenia zmian klimatycznych.

Przedstawiono protokół hydrotermalnej karbonizacji odpadów spożywczych roślinnych w autoklawie, z późniejszą suchą obróbką termiczną w temperaturze 275 °C w reaktorze o ciągłym przepływie, desorbującym lotne substancje organiczne. Celem jest wyprodukowanie materiału węglowego nadającego się jako produkt poprawiający glebę lub składnik podłoża.

Przekształcanie organicznych resztek z gospodarstw domowych w substytut torfu

A two-step procedure is described for the synthesis of a carbon material with a similar composition and properties as peat. The produced hydrochar is made ...

Z resztek produkujemy substytut torfu. Ta procedura ma pewien potencjał w zakresie organizacji odpadów organicznych. Dokładny skład nie ma znaczenia, a wahania sezonowe są tolerowane.Stanowi alternatywę dla stosowania wodorowęgla jako paliwa stałego, a tym samym pomaga łagodzić zmiany klimatyczne poprzez wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla oraz oszczędzanie nawozów kopalnych. Bardzo ważne jest, aby szczelnie zamknąć zewnętrzne zaciski, w przeciwnym razie skład drutów może ulec zmianie podczas ogrzewania z powodu utraty wody, a reakcję należy powtórzyć ze świeżą mieszanką. Nie przejmuj się zbytnio ciśnieniem resztkowym po karbonizacji hydrotermalnej.Praca z biomasą jest nieprzewidywalna. Obserwujemy zarówno bardzo niskie, jak i bardzo wysokie ciśnienie resztkowe. Studnia do obróbki termicznej musi być cienka.Jeśli jest zbyt gruby, mogą wystąpić preferencyjne ścieżki z dobrą przyczyną i niejednorodnym leczeniem i wytwarzać nieodpowiednie materiały. Na początek wybierz biomasę z resztek kuchennych, takich jak skórki owoców lub niejadalne części warzyw. Suszyć próbkę biomasy w temperaturze 100-105 stopni Celsjusza w piekarniku przez dwie godziny lub przez noc.Zważyć wysuszoną próbkę. Obliczyć odpowiednie ilości wody i biomasy dla mieszaniny reakcyjnej. Niech objętość mieszaniny reakcyjnej będzie równa połowie objętości autoklawu, a zawartość wody podczas karbonizacji hydrotermalnej wyniesie 85 procent wagowych.Załóżmy, że gęstość mieszaniny wynosi około 1 g/ml. Wprowadzić biomasę i wodę do autoklawu, który jest wyposażony w płytkę bezpieczeństwa i ustawiony na ciśnienie rozrywające 50 barów. Zamknij autoklaw i otwórz przewód azotu, aby zwiększyć ciśnienie do 20 barów.W ciągu następnych 30 minut sprawdź manometr, aby upewnić się, że nie ma spadku ciśnienia, wskazując na prawidłowo zamknięte naczynie bez wycieków. Następnie otwórz zawór wylotowy, aby uwolnić ciśnienie i ponownie zamknij naczynie. Teraz włącz mieszanie.Podgrzej autoklaw do 215 stopni Celsjusza w ciągu 30 minut i utrzymuj temperaturę przez co najmniej cztery godziny lub przez noc do reakcji karbonizacji. Monitoruj ciśnienie przez pierwsze dwie godziny, które wzrasta do 21 barów, zgodnie z krzywą prężności pary dla wody. Gdy autoklaw ostygnie do temperatury pokojowej przez naturalne chłodzenie, ostrożnie zwolnij ciśnienie resztkowe i otwórz autoklaw.Aby odzyskać hydrowęgiel, na lejku Buchnera z próżnią wlej mieszaninę, aby oddzielić ciało stałe od cieczy. Fazę ciekłą należy utylizować jako niebezpieczne odpady laboratoryjne. Suszyć ciało stałe w temperaturze 100-105 stopni Celsjusza w piekarniku przez dwie godziny lub przez noc.Następnie zważyć wysuszoną próbkę. Obliczyć bilans masy karbonizacji hydrotermalnej. Wziąć pod uwagę suchą masę biomasy i suchą masę produktu z hydrowęgla.Na frycie szklanej rurowego reaktora kwarcowego odważyć 2-3 g suchego, surowego hydrowęgla w celu uzyskania jednorodnej obróbki. W przypadku większych ilości, takich jak 10-20 g, należy użyć granulowanego materiału o wielkości cząstek 0,2-6 mm. W dygestorium włożyć łącznik termiczny przez studzienkę termiczną do rurowego reaktora kwarcowego tak, aby koniec sięgał do złoża umieszczonego na frycie.Umieść reaktor w płaszczu grzewczym i podłącz do reaktora przepływ azotu 20 ml na minutę. Umieść małą szklaną butelkę poniżej wylotu reaktora, aby zebrać skondensowane płyny. Podgrzej reaktor do 275 stopni Celsjusza z rampą 10 stopni na minutę.Utrzymuj tę temperaturę przez godzinę. Po schłodzeniu do temperatury pokojowej odłączyć dopływ gazu. Wylać ciecz zebraną w zlewce do niechlorowcowanych odpadów organicznych.Odwróć reaktor, aby odzyskać materiał węglowy do tygla i zważyć go. Obliczyć bilans masy do obróbki termicznej. Z masy uzyskanej w procesie obróbki termicznej oraz z suchej biomasy zastosowanej w etapie karbonizacji.Najpierw rozdrobnić produkt w moździerzu i zważyć 10 mg próbki w tyglu aparatu TG. Umieścić tygiel zawierający próbkę w automatycznym próbniku aparatu TG i ustawić maksymalną temperaturę do 600 stopni Celsjusza. Zastosuj powietrze jako gaz do wymiatania i rampę temperatury 10 stopni na minutę.Naciśnij przycisk myszy, aby rozpocząć analizę. Określ ilościowo ubytek masy przy 275 stopniach Celsjusza na krzywej TG, obliczając różnicę między masą początkową a masą obserwowaną w tej temperaturze. Protokół ten przekształca resztki kuchenne w hydrowęgiel nadający się do zastosowań rolniczych w dwóch etapach.Karbonizacja hydrotermalna, a następnie termiczna obróbka końcowa. W reakcji karbonizacji mokra biomasa lignocelulozowa jest przekształcana w materiał węglowy o brązowym kolorze. Im ciemniejszy brązowy kolor, tym bardziej zaawansowana jest reakcja karbonizacji.Ciśnienie podczas reakcji karbonizacji musi wzrosnąć do co najmniej 21 barów, co jest ciśnieniem autogenicznej pary w temperaturze 250 stopni Celsjusza. Jednak ogólnie rzecz biorąc, ciśnienie jest w jakiś sposób nieprzewidywalne. Zależy to od rodzaju biomasy i stanu jej degradacji.Wydajność masowa karbonizacji obejmuje szeroki zakres od 30 do 90 procent wagowych. Uzysk masy jest zwykle wyższy w przypadku bardziej zdrewniałego materiału o wysokiej zawartości ligniny i niższy w przypadku polimerów z czystym cukrem, takich jak skrobia. Analiza termograwimetryczna próbek hydrowęgla pokazuje, że ubytek substancji lotnych między 200 a 300 stopniami Celsjusza podczas obróbki termicznej jest mniejszy niż ubytek spowodowany surowym hydrowęglami.W temperaturze 275 stopni Celsjusza ubytek masy wynosił 34,6 procent wagowych dla niepoddanej działaniu hydrowęgla próbki. Po zabiegu w temperaturze 200 stopni Celsjusza osiągnięto redukcję zawartości substancji lotnych o 17,5%. Po zabiegach w temperaturze 250, 275 i 300 stopni Celsjusza odpowiedni ubytek masy wynosił odpowiednio 6,01, 5,17 i 4,22 procenta wagowego całkowitej masy.Również początkowa zawartość wody nie ma decydującego wpływu na wynik reakcji. Należy wziąć pod uwagę, że bardziej skoncentrowany roztwór zapewnia wyższą wydajność organicznego materiału stałego. Począwszy od bardziej jednorodnych materiałów paszowych w browarach, zagród zbożowych lub pozostałości rolno-przemysłowych, można produkować materiały o wyższej wartości.Zastosowanie wyższych temperatur podczas drugiego zabiegu zwiększa zawartość węgla. Hydrowęgiel został zaproponowany do różnorodnego zastosowania. Na przykład jako rozpuszczalnik, węgiel aktywny lub elektrody w akumulatorach.Przygotowanie tego zaawansowanego materiału często wiąże się z końcowym etapem termicznym. Technologia karbonizacji hydrotermalnej została już przeniesiona na skalę przemysłową. Przy tej wielkości surowiec jest bardzo niejednorodny i zmienny.Tutaj możesz zobaczyć, jak przetwarzane są pozostałości ogrodnicze. Obecnie produktem komercyjnym są granulki, jak powiedziałeś, paliwo stałe, po drugiej obróbce wytwarzany jest produkt stały, co zwiększa wkład materiału paszowego w łagodzenie zmian klimatycznych.

transformation-of-organic-household-leftovers-into-a-peat-substitute

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Zacznij od beztlenowej komory fermentacyjnej, szczelnego, beztlenowego reaktora wysianego syntetycznym szlamem, który naśladuje osiadłe ciała stałe ze ścieków.Osad zawiera mezofilne mikroorganizmy beztlenowe, mieszaną zbiorowisko mikroorganizmów.Mikroorganizmy te rozwijają się w umiarkowanych temperaturach i napędzają trawienie materii organicznej osadu.Stale mieszaj osad, aby podtrzymać aktywność bakterii i wspomóc trawienie.Później dodaj do szlamu bioplastiki, które są polimerami...

Fermentacja beztlenowa biotworzyw do produkcji biogazu

Folie z tworzywa sztucznego oznaczone jako "biodegradowalne" są dostępne na rynku do użytku rolniczego jako ściółki.  Uprawa roli stanowi atrakcyjną metodę utylizacji, ale degradacja w warunkach polowych jest słabo poznana.  Celem pracy było opracowanie metod izolacji rodzimych grzybów glebowych i bakterii, które kolonizują plastikowe folie ściółkowe po zakopaniu w polu.

Izolacja rodzimych mikroorganizmów glebowych z potencjałem do rozkładania biodegradowalnych folii ściółkowych z tworzyw sztucznych stosowanych w rolnictwie

Nowatorski reaktor beztlenowy z przepływem stałym (UASS) został wykorzystany do produkcji biogazu z włóknistego surowca. Poferment z reaktora UASS został hydrotermalnie zwęglony do biowęgla HTC w ciśnieniowym reaktorze wsadowym. W tym badaniu zastosowano integrację dwóch koncepcji bioenergii w celu zwiększenia ogólnej produkcji bioenergii.

Ocena zintegrowanej fermentacji beztlenowej i karbonizacji hydrotermalnej w produkcji bioenergii

Przedstawiono procedurę termochemicznej konwersji pozostałości biomasy, która ma na celu maksymalizację wydajności produktów płynnych (szybka piroliza). Opiera się na technologii sprawdzonej na skalę przemysłową i szczególnie nadaje się do obróbki biomasy typu słomianego.

Szybka piroliza resztek biomasy w dwuślimakowym reaktorze mieszającym

Przedstawiono protokół niszczenia prekursorów emisji z biomasy niskiej jakości za pomocą niskotemperaturowej mikrofalowej karbonizacji hydrotermalnej. Protokół ten obejmuje parametry mikrofalowe oraz analizę produktu z biowęgla i wody technologicznej.

Redukcja emisji paliwa drzewnego wierzbowego poprzez niskotemperaturową karbonizację hydrotermalną wspomaganą mikrofalami

Ten protokół opisuje pojedynczą przepustowość dla uzupełniających technik analitycznych i omicznych, której kulminacją jest w pełni sparowana charakterystyka naturalnej materii organicznej i proteomiki mikrobiologicznej w różnych ekosystemach. Podejście to pozwala na solidne porównania w celu identyfikacji szlaków i przemian metabolicznych ważnych dla opisu produkcji gazów cieplarnianych i przewidywania reakcji na zmiany środowiskowe.

Jednoprzepustowe komplementarne techniki analityczne o wysokiej rozdzielczości do charakteryzowania złożonych mieszanin naturalnej materii organicznej

Nowe metody usuwania stosów leśnych wytwarzają węgiel pirogeniczny do przywracania zdrowia gleby leśnej oraz do usuwania i sekwestracji węgla. W tym miejscu prezentujemy metodę produkcji biowęgla łączącą nową metodologię rozliczania usuwania dwutlenku węgla i aplikację cyfrową.

Produkcja, charakterystyka i oznaczanie ilościowe biowęgla w lasach przy użyciu przenośnych pieców płomieniowych

Zanieczyszczenie powietrza wpływa na jakość życia wszystkich organizmów. W tym miejscu opisujemy zastosowanie biotechnologii mikroalg do oczyszczania biogazu (jednoczesne usuwanie dwutlenku węgla i siarkowodoru) oraz produkcji biometanu poprzez półprzemysłowe otwarte stawy glonów o wysokiej szybkości, a następnie analizę skuteczności oczyszczania, pH, rozpuszczonego tlenu i wzrostu mikroalg.

Oczyszczanie biogazu poprzez zastosowanie systemu mikroalgo-bakteryjnego w półprzemysłowych stawach z glonami o wysokiej zawartości

Ten protokół opisuje najlepszą praktykę określania produkcji metanu i parametrów kinetycznych mikroorganizmów za pomocą respirometrii dla mikrobioty beztlenowej, współtrawienia odpadów spożywczych i osadu aktywowanego odpadami.

Pomiar potencjału biometanowego odpadów spożywczych beztlenowo współtrawionych z osadem aktywowanym odpadami za pomocą respirometrii

Przedstawiamy tutaj zoptymalizowaną metodologię produkcji kompozytów na bazie grzybni (MBC) z petrochemikaliów i materiałów zanieczyszczających do zastosowań termoizolacyjnych. Aby stać się neutralnym dwutlenkiem węgla i zrównoważonym, rozwiązaniem mogą być materiały biobazowane i kompostowalne, takie jak biokompozyt grzybni. Aby ustalić, czy spełniają standardy konstrukcyjne, przeprowadzono kilka eksperymentów.

Produkcja i testowanie zachowania wilgoci oraz właściwości termicznych słomy rzepakowej i żywicy Ganoderma Mycelium Bio-Composites

Protokół ten przedstawia skalowalną metodę przekształcania odpadów spożywczych w biodegradowalne biotworzywa polihydroksyalkanianowe (PHA). Wykorzystuje zatrzymaną fermentację beztlenową do wstępnej obróbki odpadów spożywczych, halofilową fermentację mikrobiologiczną do biosyntezy PHA oraz wolny od chemikaliów proces dalszy do odzyskiwania PHA.

Skalowalne podejście krok po kroku do zrównoważonej produkcji bioplastiku z odpadów spożywczych

Poznaj metodę przekształcania odpadów kuchennych w hydrochar poprzez karbonizację hydrotermiczną i obróbkę termiczną. Ten protokół pozwala wytworzyć materiał węglowy zastępujący torf w rolnictwie.

Przekształcanie organicznych resztek z gospodarstw domowych w substytut torfu

Przeglądaj więcej filmów