Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

الحد من انبعاثات الوقود الخشب الصفصاف بدرجه حرارة منخفضه الميكروويف بمساعده الكربون الحراري

Published: May 19, 2019 doi: 10.3791/58970
Automatic Translation
*1, *1, 2, 2, 1
1Department of Forest Utilization & Biomass Fuels and Combustion, University of Applied Science Rottenburg, 2Chemical Engineering Department, Faculty of Engineering, Universidad de Santiago de Chile
* These authors contributed equally

Summary

ويقدم بروتوكول لاستنفاد سلائف الانبعاثات من الكتلة الاحيائيه المنخفضة الجودة بواسطة الموجات الصغريه المنخفضة الحرارة التي تساعد في معالجه الكربون الحراري المائي. يتضمن هذا البروتوكول معلمات الميكروويف وتحليل المنتج الحيوي والمياه المعالجة.

Abstract

الكتلة الحيوية هي وقود مستدام ، حيث يتم أعاده دمج انبعاثات CO2 في نمو الكتلة الحيوية. ومع ذلك ، فان السلائف غير العضوية في الكتلة الحيوية تسبب تاثيرا سلبيا علي البيئة وتشكيل الخبث. المختارة قصيرة التناوب اجمه (SRC) خشب الصفصاف لديهEquation 1 محتوي الرماد عاليه (= 1.96 ٪) التالي ، ارتفاع محتوي الانبعاثات والسلائف الخبث. ولذلك ، يتم التحقيق في الحد من المعادن من الخشب الصفصاف SRC بدرجه حرارة منخفضه الميكروويف بمساعده الكربون الحرارية (MAHC) في 150 درجه مئوية ، 170 درجه مئوية ، و 185 درجه مئوية. ميزه من [مهك] علي مفاعلات تقليديه يتساوى درجه حرارة [كندوتنس] في الرد فعل وسيطه, بما ان أفران ميكروويف يخترقون الكاملة مفاعله حجم. وهذا يسمح بالتحكم في درجه الحرارة بشكل أفضل وسرعه التهدئة. ولذلك ، يمكن تحليل تعاقب التحلل ، والتحول وتفاعلات أعاده البلمره بشكل فعال. في هذه الدراسة ، وتحليل الخسارة الجماعية ، ومحتوي الرماد وتكوينها ، وقيم التدفئة والمولي O/C و H/C نسب المعالجة وغير المعالجة من خشب الصفصاف SCR وأظهرت ان المحتوي المعدني للفحم MAHC تم تخفيض وزيادة قيمه التدفئة. وأظهرت المياه عمليه انخفاض درجه الحموضة والواردة فورفورال و 5-ميثيلفورفورال. وأظهرت درجه حرارة العملية من 170 درجه مئوية أفضل مزيج من مدخلات الطاقة والحد من مكون الرماد. ويسمح البرنامج بفهم أفضل لعمليه الكربون الحراري المائي ، في حين ان التطبيق الصناعي الواسع النطاق غير محتمل بسبب ارتفاع تكاليف الاستثمار.

Introduction

استخدمت أجهزه الميكروويف للتفحيم الحراري المائي (mahc) للتحول الكيميائي الحراري للمركبات نموذج الكتلة الحيوية مثل الفركتوز ، الجلوكوز1،2 أو السليلوز3، ولركائز العضوية ، يفضل النفايات المواد4،5،6،7،8،9،10. استخدام أفران الميكروويف مفيد لأنه يسمح للتدفئة حتى من الكتلة الحيوية المعالجة2,10 أساسا من خلال الخسائر الحرارية من مذيب عازل11,12, علي الرغم من ان الأفران الميكروويف تفعل لا نقل ما يكفي من الطاقة لكسر مباشره السندات الكيميائية وحث ردود الفعل13. الميكروويف تخترق حجم التفاعل كله من سفينة المفاعل HTC ونقل الطاقة مباشره إلى المواد ، والتي ليس من الممكن مع مفاعل التقليدية التي تظهر معدل التسخين إبطا بسبب قدره التدفئة عاليه من الغلاف الصلب عينه نفسها14. الاثاره حتى من جزيئات الماء العينة بواسطة أفران الميكروويف يسمح بتحسين عمليه التحكم ، كما يتم توزيع درجه الحرارة في مفاعل الميكروويف بالتساوي11،14،15 و تباطؤ بعد رد الفعل هو أسرع بكثير. وعلاوة علي ذلك ، تسخين المفاعلات التقليدية إبطا بكثير والتفاعلات الكيميائية التي تحدث اثناء التسخين يمكن ان التحيز النتائج التي يتم تعيينها عاده إلى درجه الحرارة النهائية. التحكم المحسن في العملية في مفاعل MAHC يمكن من التفصيل الدقيق لدرجه الحرارة التبعية لتفاعلات HTC المختارة (علي سبيل المثال ، الجفاف أو دياربوككسيل). ميزه أخرى للتوزيع درجه الحرارة حتى في حجم المفاعل HTC هو التصاق اقل من الجزيئات المعباه والكربونية تماما علي جدار المفاعل الداخلي2. ومع ذلك ، المياه ليست سوي الميكروويف امتصاص المتوسط المذيبات التي تظهر حتى تناقص الامتصاص الميكروويف في درجات حرارة اعلي ، مما يحد من درجه الحرارة القصوى التي يمكن تحقيقها. يتم تعويض هذا التاثير السلبي عندما يتم إنتاج الأحماض اثناء عمليه HTC أو المحفزات (الأنواع الايونيه أو القطبية) تضاف قبل العلاج. ردود الفعل الناجمة عن الميكروويف تظهر اعلي غله المنتج في عام11,15 وعلي وجه التحديد من 5-هيدروكسيميثيلفورفورال (5-hmf) من الفركتوز بالمقارنة مع الرمال-سرير ردود الفعل المحفزة12. لديهم أيضا أفضل بكثير توازن الطاقة ثم أساليب التدفئة التقليدية15,16.

والمفهوم الكيميائي الأساسي للكربوكربون الحرارية المائية هو تدهور الكتلة الاحيائيه والالبلمره المتعاقبة. في سياق هذه التفاعلات المتفاعلة المعقدة يتم استنزاف الانسجه من الأكسجين ، مما يزيد من قيمه التسخين. في البداية ، وتحلل البوليمرات هيميسيلولوز والسليلوز إلى مونومرات السكر17، علي الرغم من درجات الحرارة المنخفضة تؤثر أساسا علي هيميسيلولوز18،19،20،21. في هذه المرحلة المبكرة من ردود الفعل HTC ، تتشكل الأحماض العضوية من التحول من الديهيديس السكر و deاسيتيل من hemicellulose. هذه الأحماض يمكن ان تكون الخل ، اللبنيك ، ليفيوليتش ، الأكريليك أو حمض الفورميك20،21،22 وانها تقلل من درجه الحموضة من الماء رد فعل في المفاعل. بسبب التفكك ، فانها تشكل الأيونات السالبة الحرة التي تزيد من المنتجات الايونيه في المياه العملية. ويتيح المنتج الأيوني المتزايد حل التكتلات التي تشكل المكونات الرئيسية للرماد في الكتلة الحيوية. وبهذه اليه ، يستنفد النسيج من سلائف الانبعاثات والخبث (مثل البوتاسيوم والصوديوم والكالسيوم والكلور والفلزات الثقيلة)23و24.

الأحماض العضوية المشكلة يمكن ان تدعم الجفاف من مونومرات السكر إلى الفوران. وهناك منتج الجفاف السكر المشترك هو فورفورال و 5-هيدروكسيميثيلفورفورال ، والتي هي منتجات مجديه للصناعة الكيميائية ، لأنها تعمل كمنتجات منصة (علي سبيل المثال ، لتوليف البوليمرات البيولوجية). 5-ميثيلفورفورال يمكن تشكيلها من قبل ردود الفعل المحفزة من السليلوز25،26 أو 5-هيدروكسي ميثيل فورفورال27. في حين ان التوليف بوليمر هو أعاده البلمره الاصطناعية تحت ظروف خاضعه للرقابة ، والفوران يمكن أيضا ان تتكثف ، تتبلمر وتشكل الهياكل العطرية عاليه الوزن الجزيئي في البيئة الكيميائية المعقدة للمفاعل MAHC. التفاعل من المركبات العضوية وغير العضوية solubilized مع مصفوفة خليه الخشب المعدلة أضافه إلى تعقيد نظام رد الفعل20. مسارات تفاعل البلمره الفوران توظف التكثيف ادورو أو/والجفاف بين الجزيئات18,20 والغلة الجسيمات هيدروشار مع قذيفة مسعور وأكثر الاساسيه هيدروفيلييك28. ولم يكشف بعد عما إذا كانت جزيئات الكتلة الحيوية متحللة تماما ثم ريبوليميريزيد أو إذا كانت جزيئات الكتلة الحيوية تشكل نموذجا للتفحيم. ومع ذلك ، فان ردود الفعل تدهور والتحلل تشمل الجفاف وردود الفعل نزع الكربوكسيل ، وكذلك29،30، والذي يدفع قطره في الرسم التخطيطي فان krevelen نحو النسب س/ج و ح/ج من الكربون الأسود.

في حين أثبتت دراسات أخرى المعدنية الحد من تاثير المفاعل التقليدية القائمة علي المعالجة الحرارية المائية31، من غسل المياه مع الجمع بين الرشح الميكانيكية32 أو المياه/خلات الأمونيوم/الهيدروكلوريك حمض الغسيل33، لدينا دراسات التحقيق في الرشح المعدنية خلال درجات الحرارة المنخفضة الكربون مع أفران الميكروويف للمرة الاولي. ونظرا لان هذه الدراسة تركز علي الرشح لانبعاثات السلائف لرفع مستوي الوقود ، فانها تحقق في مصير البوتاسيوم والصوديوم والمغنيسيوم والكالسيوم والكلور والكبريت والنيتروجين والمعادن الثقيلة. تشكل سلائف الغبار الدقيقة أملاحا متطايرة (مثل KCl أو K2SO4) عند درجات حرارة مرتفعه في المرحلة الغازية. وعندما تتراكم هذه الأملاح في غاز المداخن ، يمكن للمعادن الثقيلة مثل الزنك ان تقوم بكنسها كجزيئات نواه ، الأمر الذي يؤدي إلى تفاعل سلسله نمو الجسيمات. في درجات الحرارة المنخفضة لغاز المداخن ، يزيد تكاثف الملح من نمو الجسيمات وينتج عنه انبعاث غبار ناعم من المدخنة. وهذه الانبعاثات هي في الوقت الحاضر العامل الرئيسي الذي يقوض استدامه وقود الكتلة الاحيائيه. ويعتمد الإمداد بالطاقة المستدامة علي تخفيضها بواسطة المرشحات المكلفة أو تخفيضها في الوقود (علي سبيل المثال ، من قبل MAHC). وبما ان هذه الدراسة تتبع نهجا عمليا ، فقد اختيرت أخشاب الصفصاف بالتناوب القصير (SRC) كمواد وسيطه حيوية محتمله ذات معدلات نمو مرتفعه. ويمكن زراعتها من قبل المزارعين في حقولهم من أجل إمدادات الطاقة المستدامة ذاتيا عن طريق التحويل إلى غاز ، ولكن أيضا لتوليد الحرارة عن طريق الاحتراق المباشر. عيب الصفصاف SRC هو محتواه النباح عاليه بسبب انخفاض الجذعية: نسبه النباح في مرحله ناضجه. لحاء يحتوي علي الكثير من المعادن بالمقارنة مع الخشب34،35،36،37 وغله كميات اعلي من الغاز أو الجسيمات الانبعاثات38. انخفاض درجه الحرارة HTC يمكن تحسين خصائص الاحتراق من الخشب الصفصاف SRC ، التالي ، تسهم في الحرارة المستدامة وإمدادات الطاقة. معلمه أخرى هامه لل HTC بيوال التحقيق في هذه الدراسة هو كثافة الطاقة ، وارتفاع درجه حرارة الاحتراق الاولي وارتفاع درجه حرارة الاحتراق النهائي39.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. اعداد عينه من المواد

  1. حصاد الصفصاف خمس سنوات من العمر ، واستنساخ نوع "Tordes" ([Salix شويريني x s. viminalis] س s. vim.) ، مع ارتفاع 12 − 14 م وقطر الثدي من حوالي 15 سم.
  2. رقاقه الخشب وتجفيف رقائق في فرن مجفف لمده 24 ساعة في 105 درجه مئوية.
  3. قطع رقائق الخشب مع مطحنه القطع وطحن مع مطحنه الطرد المركزي إلى حجم الجسيمات من 0.12 مم.

2. الميكروويف بمساعده الكربون الحرارية

  1. استخدام فرن الميكروويف مع 850 W وتردد المغنطرون 2,455 MHz.
  2. مكان 500 ملغ من المواد الخام من الخطوة 1.3 في 50 mL تترافلوروايثيلين (PTFE) سفينة رد فعل مع ملعقة. أضافه 10 مل من المياه المنزوعة الماء. برغي أسفل غطاء السفينة رد الفعل بحيث صمام الضغط في الغطاء علي نفس المستوي مثل حافه الغطاء.
  3. لكل درجه حرارة العلاج ، ووضع اثني عشر أوعيه التفاعل مع المواد الخام في فرن الميكروويف وإغلاق الفرن.
  4. اعداد ثلاثه برامج درجه الحرارة ، مع الميكروويف لدرجات الحرارة الثلاث: 150 درجه مئوية (منحدر + 12.5 درجه مئوية دقيقه-1، عقد 60 دقيقه ، ذروه السلطة 50 ٪) ، 170 درجه مئوية (المنحدر + 9.6 °c دقيقه-1، عقد 60 دقيقه ، ذروه السلطة 80 ٪) ، و 185 درجه مئوية (المنحدر + 5.3 درجه مئوية دقيقه ، عقد 30 دقيقه ، المنحدر-1.1 درجه مئوية دقيقه-1 إلى 150 درجه مئوية ، ذروه السلطة 100 ٪). بدء تشغيل فرن الميكروويف ، لكل برنامج واحد.
  5. بعد الانتهاء من البرنامج ، وأزاله الاوعيه رد فعل ، والسماح لهم لتهدئه وأعاده تنشيط. ثم فتح لهم تحت خزانه الدخان بعد الإفراج عن الضغط في الداخل.
  6. أضافه 35 مل من الماء المقطر مرتين لكل سفينة رد فعل. صب الحل في كل سفينة إلى اسطوانه الطرد المركزي وأجهزه الطرد المركزي في 1,714 x g لمده 10 دقيقه.
  7. يتم استنزاف المياه عمليه في أنبوب آخر وتخزينها المجمدة في-5 درجه مئوية لpH والغاز اللوني-تحليل الطيف الكتلي (GC-MS).
  8. تجميد اسطوانه الطرد المركزي مع بيليه الحيوية المتبقية في-5 درجه مئوية. ثم إخراج بيليه بيوال وتجفيفه في 105 درجه مئوية ل 24 ح. تزن بيليه بيوال وحساب فقدان الوزن الناجم عن العلاج MAHC.
  9. كرر الخطوات 2.2 − 2.8 أربع مرات في درجه الحرارة (48 أوعيه التفاعل لكل درجه حرارة) لإنتاج ما يكفي من بيوتال (حوالي 22 غرام) للتحليل اللاحق.

3. تحديد محتوي الرماد

  1. تزن 20 اطباق السيراميك الفارغة بشكل فردي. أضافه في كل 1 غرام من عينه (5 × 1 غرام من المواد الخام ، و 5 × 1 غرام من بيوموال من كل علاج درجه الحرارة).
    ملاحظه: لأنه لا يمكن وصف الاطباق ، يجب رسم خطه لترتيب السفن في الفرن.
  2. ضع الاطباق الخزفية المفتوحة في فرن واق واغلق الفرن.
  3. برنامج درجه الحرارة برنامج للفرن الفرن (+ 6 °C دقيقه-1 من 25 درجه مئوية إلى 250 درجه مئوية ، عقد 60 دقيقه ، + 10 درجه مئوية دقيقه-1 إلى 550 درجه مئوية ، عقد 120 دقيقه) وبدء البرنامج.
  4. بعد الانتهاء من البرنامج ، والسماح للفرن يربك يبرد إلى 105 درجه مئوية. ثم فتح الفرن وإخراج الاطباق الخزفية.
  5. وضع الاطباق الخزفية في مستخرج (جدول المواد) مليئه عامل التجفيف تتكون من هلام السيليكا. إغلاق المجفف وفراغ الجافة مع مساعده من مضخة فراغ.
  6. إخراج الاطباق الخزفية بعد 24 ساعة من التبريد. يزن الطبق الخزفي الذي يحتوي علي الرماد ويحسب وزن الرماد عن طريق طرح وزن طبق السيراميك الفارغ.
  7. تحديد محتوي الرماد في المئة عن طريق تقسيم وزن الرماد بالكتلة الجافة من المواد الخام أو بيوموال.

4. تحديد قيم التسخين الأعلى والأدنى

  1. تنشيط مضخة المياه من المسعر وفتح صمام الأكسجين لتوريد 99.5 ٪ الأكسجين إلى المسعر.
  2. تزن 1 غرام من الجلوكوز ووضعه في كيس من البلاستيك عينه مع القيمة الحرارية المحددة من 46,479 J/g. وضع كيس عينه في بوتقة الاحتراق من قنبلة المسعر.
  3. أضافه 5 مل من الماء مرتين منزوع الأيونات في الجزء السفلي من القنبلة والمسمار أسفل القنبلة. ضع القنبلة في المسعر واغلق المسعر
  4. ادخل وزن العينة وتغيير الإعدادات لنموذج طريقه الحقيبة. بدء المسعر.
  5. بعد اكتمال القياس ، اخرج القنبلة ، اقلبها راسا علي عقب وهزها ببطء لمده دقيقه واحده.
  6. فك القنبلة ، وأزاله 5 مل من المياه المنزوعة الماء مرتين وتخزينها في حاويه غطاء المسمار لتحليل اللوني الأيوني اللاحقة.
  7. كرر الخطوات 4.2 − 4.6 ثلاث مرات للحصول علي معيار المعايرة.
  8. كرر الخطوات 4.2 − 4.6 خمس مرات مع كل المبيدات الحيوية MAHC (150 درجه مئوية ، 170 درجه مئوية ، 185 درجه مئوية) والمواد الخام.
  9. حساب قيمه التسخين اقل باستخدام المعادلة التالية40:
    Equation 2
    حيث LHV هو انخفاض قيمه التدفئة ، HHV هو اعلي قيمه التدفئة التي تم الحصول عليها من المسعر في الخطوة 4.4 ، وEquation 3 ω هو محتوي الهيدروجين [تم الحصول عليها من تحليل عنصري.

5-الفصل اللوني الأيوني لتحديد كميه الكلور

ملاحظه: تحقق من معايره الكروماتوغرافي الأيوني قبل التحليل.

  1. إخراج 5 مل من الحل من الخطوة 4.8 وأضافه 45 مل من المياه المنزوعة الماء مرتين في قناع الحجمي 50 mL.
  2. ادخل عينه أنبوب الشفط في حاويه عينه ورسم ما يقرب من 3 مل من العينة مع حقنه في ما قبل العمود. بدء تشغيل التحليل.
  3. تنفيذ القياسات وفقا لتعليمات الشركة المصنعة.
  4. كرر الخطوات 5.2 و 5.3 لكل نموذج تم اعداده في القسم 4.

6-التحليل العنصري لتحديد نسب الدراسات المتعلقة بالإجراءات الخاصة/جيم وحاء/جيم

  1. حدد طريقه مناسبه من دليل الاداات ليتم قياس العينات.
  2. جعل كل 20 ملغ سلفواميد المعايير والفراغات المطلوبة لمعايره الجهاز.
  3. لاعداد عينه من المواد ، ووضع 20 ملغ من عينه في رقائق القصدير علي التوازن الجزئي. تزن العينة علي رقائق القصدير ، وإغلاق إحباط حول العينة واضغط علي حزمه لاحتواء الهواء قليلا قدر الإمكان. بعد ذلك كرر هذا 5x لكل عينه.
    ملاحظه: من أجل ان تكون قادره علي تحليل عينات فحم ، يجب أضافه نفس الكمية من أكسيد التنغستن ككميه من العينة في نسبه 1:1. وهذا مطلوب لتعويض الأكسجين المفقود في بيوشار لضمان الاحتراق الكامل في محلل عنصري.
  4. ادراج العينات التي تم اعدادها في السعه التلقائية لمحلل عنصري.
  5. فتح الأكسجين وصمام الهيليوم لغرفه الاحتراق من محلل عنصري.
  6. أبدا التحليل عندما وصل الجهاز إلى درجه الحرارة المحددة من قبل الجهاز. في هذه الحالة ، انتظر حتى تصل درجه الحرارة إلى 900 درجه مئوية.
  7. حساب الشامات من كل عنصر في معيار سلفوناميد من قبل الوزن القياسي سلفوناميد (الخطوة 6.2) ، ووزن 1 الخلد من العنصر المعني.
  8. احسب العلاقة بين الشامات من C ، H ، S ، و N في سلفوناميد ، التي تم الحصول عليها من الخطوة 6.7 ، ومناطق الذروة الخاصة بكل منها.
  9. اطرح محتوي عينه الرماد ، الذي تم الحصول عليه من الخطوة 3.7 ، من الوزن الإجمالي للعينه.
  10. قارن منطقه ذروه العنصر المعني في معيار سلفوناميد والعينة ، واضرب بواسطة شامة كل عنصر في سلفوناميد للحصول علي شامة العنصر في العينة.
  11. حساب وزن C ، H ، S ، و N في العينة عن طريق ضرب الخلد من العنصر ، التي تم الحصول عليها من الخطوة 6.10 ، مع الكتلة المولية المعنية للعنصر من الجدول الدوري.
  12. حساب وزن الأكسجين في العينة باستخدام كتله عينه خاليه من الرماد ، التي تم الحصول عليها من الخطوة 6.9 ، وطرح وزن C ، H ، N ، و S ، التي تم الحصول عليها من الخطوة 6.11.
  13. حساب نسب H/C و O/C المولي في المواد الخام وعينات المبيدات الحيوية MAHC.

7. المستحثة البلازما البصرية الانبعاثات الطيفي

  1. تزن 400 ملغ من المواد الخام المجففة أو المبيدات الحيوية MAHC ووضعها في وعاء رد فعل PTFE 50 mL مع ملعقة. أضافه 3 مل من حمض النيتريك 69 ٪ و 9 مل من حمض الهيدروكلوريك 35 ٪.
  2. برغي أسفل غطاء السفينة رد الفعل بحيث صمام الضغط في الغطاء علي نفس المستوي مثل حافه الغطاء.
  3. وضع أوعيه التفاعل من العينات ليتم تحليلها في فرن الميكروويف وإغلاق الفرن.
  4. برنامج برنامج درجه الحرارة للتدهور الكامل للمواد العضوية: المنحدر + 15.5 درجه مئوية دقيقه-1 إلى 200 درجه مئوية ، عقد 30 دقيقه ، تهدئه إلى 180 درجه مئوية ، وعقد لمده 5 دقائق. بدء تشغيل فرن الميكروويف.
  5. بعد الانتهاء من البرنامج ، وأزاله الاوعيه رد فعل ، والسماح لهم لتهدئه وأعاده تنشيط. ثم فتح الاوعيه تحت خزانه الدخان بعد الإفراج عن الضغط في الداخل.
  6. صب العينات في اسطوانه لمبة 50 mL. ثم شطف السفينة رد فعل جيدا مع الماء مرتين منزوع الأيونات ونقله إلى اسطوانه لمبة. اعلي الاسطوانه إلى علامة 50 mL مع الماء مرتين منزوع الأيونات لضمان التخفيف حتى من جميع العينات.
  7. تصفيه العينة من الخطوة 7.6 مع ورقه فلتر شبكه 150 μm. ملء الترشيح في 50 mL أنابيب الطرد المركزي المخروطية.
  8. وضع العينات القياسية في الحاقن التلقائي لبرنامج المقارنات العامة. العينات القياسية هي من التركيزات المعروفة (0.0001 جزء في المليون ، 0.001 جزء في المليون ، 0.1 جزء في المليون ، 1 جزء في المليون 10 جزء في المليون ، 20 جزء في المليون ، 50 جزء في المليون) من العناصر التي يمكن قياسها كميا (كاليفورنيا ، As ، B ، Be ، الحديد ، مغ ، Mn ، مو ، نا ، ني ، Pb ، Rb ، Sr ، Te ، Tl ، V).
  9. وضع العينات في الحاقن الألى لبرنامج المقارنات الكترونيه وتشغيل تحليل البرنامج بنفس البارامترات.
  10. بعد تحليل برنامج المقارنات البينية ، الحصول علي تركيز عنصري من البرمجيات ، محسوبة تلقائيا في مغ/كغ ، استنادا إلى منحنيات المعايرة التي تم الحصول عليها من العينات القياسية في الخطوة 7.8.
  11. حساب الحد من تركيز عنصري في المبيدات الحيوية المنتجة:
    Equation 4
    حيث Conc. في الكتلة الحيوية هو تركيز عنصري في الكتلة الحيوية و Conc. في الفحم هو تركيز عنصري في بيوموال.

8. قياس درجه الحموضة من المياه عمليه HTC

  1. أملا كل جزء سائل من معالجه MAHC (الخطوة 2.7) من المادة الخام والمواد البيولوجية الثلاثة في أربعه أكواب ذات الصلة.
  2. معايره مسبار الأس الهيدروجيني مع الحلول القياسية.
  3. قياس درجه الحموضة من الجزء السائل من المواد الخام والمبيدات الحيوية MAHC الثلاثة.

9-الفصل اللوني للغاز-قياس الطيف الكتلي

  1. تصفيه الكسور السائلة من العلاج MAHC (الخطوة 2.7) مع ورقه فلتر شبكه 150 μm. أضف 20 مل من الميثانول إلى 1 مل من الكسور السائلة المصفاة.
  2. نقل 200 μL إلى قارورة التلقائي GC-MS ووضع القارورة في العرض التلقائي GC-MS.
  3. تمييع معايير نقيه من فورفورال و 5-ميثيلفورفورال (الصف التحليلية) وصولا إلى 10-2، 10-3، 10-4، و 10-5 مع الميثانول.
  4. وضع المعايير في العرض التلقائي GC-MS وتحليلها مع المعلمات: 1 μL حجم الحقن في 230 درجه حرارة حاقن درجه مئوية و 1:40 الانقسام; 5MS غير القطبية العمود (جدول المواد) مع طول 15 م و 0.25 مم سمك الفيلم ؛ برنامج درجه الحرارة 30 درجه مئوية ، عقد 2 دقيقه ، المنحدر من + 40 درجه مئوية/دقيقه إلى 250 درجه مئوية ، عقد 2 دقيقه ؛ التاين مع 70 mV وكاشف MS في وضع المسح الضوئي مع مجموعه م/ز من 35 − 400 ، كل مسح في 0.3 s.
  5. إنشاء منحنيات المعايرة من قبل مجموع الأيونات العد (TIC) منطقه الذروة والتركيز المركب.
  6. تشغيل عينات المرحلة السائلة البيولوجية HTC المعدة مع نفس المعلمات التحليلية وتحديد فورفورال و 5-ميثيلفورفورال عن طريق الاحتفاظ بالوقت من المعيار وتطابق الطيف في مكتبه الأطياف.
  7. تحديد تركيزات فورفورال و 5-ميثيلفورفورال باستخدام منحني المعايرة المحسوبة (الخطوة 9.6) وادراج المناطق الذروة عينه من فورفورال و 5-ميثيلفورفورال.

10-الإحصاءات

  1. تحليل البيانات مع اختبار شابيرو Wilks للتوزيع العادي.
  2. استخدم اختبار مان-ويتني U-لمجموعات البيانات غير الموزعة بشكل طبيعي واختبار t لمجموعات البيانات الموزعة عاده للعثور علي اختلافات كبيره بين مجموعات البيانات.
    ملاحظه: إذا تم توزيع مجموعه بيانات واحده عاده والاخر لا ، استخدم اختبار مان ويتني يو.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

وكشفت نتائج التحليل العنصري عن وجود اختلافات بين نسبه O/C-H/C لخشب الصفصاف والمبيدات الحيوية MAHC (الشكل 1). وتظهر المواد الخام نسبا اعلي من المستويات العليا والمتوسطة والتباين الأعلى للقيم. وقد قلل العلاج من القيمة المضافة بسبب التجانس في مفاعل الميكروويف. وقد سمحت دقه مفاعل الميكروويف بالتفريق بين ثلاث مراحل من التحلل. وانخفضت نسبه الارتفاع/النقصان عند 150 درجه مئوية ، كما انخفضت التغيرات في نسب الارتفاع/النقصان والمعدلات المئوية. عند 170 درجه مئوية تم تخفيض نسبه O/C وفي 185 درجه مئوية تم تخفيض نسبه O/C مره أخرى.

درجه الحرارة الناجمة عن زيادة اللون البني ، في حين ان المياه عمليه أظهرت نفس الاتجاه علي الرغم من ان الظل كان أكثر إشراقا (الشكل 2). في كل من بيوكل ومعالجه المياه الزيادة في الحلقات العطرية مثل الفوران والبولي-benzenes ، والتي تحتوي علي خلافه من السندات واحد والسندات المزدوجة التي هي نشطه بصريا ، والحث علي هذا التغيير اللون (الشكل 2). الجانب تشكيل حمض التفاعل من مونومرات السكر التي تسببت في تشكيل الأحماض القابلة للذوبان ، التالي ، انخفاض الرقم الهيدروجيني في عمليه المياه28 (الجدول 1). وتم قياس الخسارة الجماعية في عينه 150 درجه مئوية ، علي الرغم من عدم وضوح التناوب علي ألوان بالمقارنة مع المادة الخام (الشكل 2 والجدول 1). ورافق ارتفاع كبير في قيمه التدفئة من 170 درجه مئوية من المبيدات الحيوية فقدان الوزن العالي. وقد تسببت هذه الخسارة في الوزن بسبب تفاعلات التحويل الطاردة التي أثمرت الفوران (الجدول 1). وكان الانخفاض ، علي الرغم من مختلفه إلى حد كبير ، زيادة قيمه التدفئة بين 170 درجه مئوية و 185 درجه مئوية الحيوية ورافق انخفاض الوزن بالمقارنة مع فقدان الوزن بين 150 درجه مئوية و 170 درجه مئوية. انخفض ال [ف] من 4.25 في 150 [ك] إلى 3.6 في 170 [ك] وبقي ثابته من 170 [ك] إلى 185 [ك.]. واجبه إلى ال ينتج [أيون برودوكت] بالاضافيه حامضيه, [ايناورغت] ولذلك رماد عناصر في العملية ماء يستطيع كنت حللت23.

ويبين الجدول 2 مصير سلائف الانبعاثات المختارة. هناك عناصر منخفضه بشكل ملحوظ في الجدول 2، مثل الكبريت والبوتاسيوم والكالسيوم والكلور والمغنيسيوم ، وليس العناصر المخفضة بشكل ملحوظ ، مثل النيتروجين والصوديوم. وقد انخفضت الفلزات الثقيلة في الكتلة الحيوية ، باستثناء الفضة والليثيوم ، انخفاضا كبيرا ، كما يتبين من الجدول 3، ولكن الفضة والليثيوم لم ينخفضا الا بشكل كبير.

ويرد في الشكل 3النتائج التي أسفر عنها تخفيض العنصر المصحح للخسائر الجماعية. وبما ان الخسارة الجماعية لم تعتبر هنا ، والتي يمكن ان تؤدي إلى تركيزات اعلي للعنصر بالمقارنة مع الكتلة الحيوية الخام في حاله المعالجة المكثفة لدرجات الحرارة العالية في HTC ، فان جميع الخسائر المحسوبة كانت اعلي مما كانت عليه في الجدول 2 والجدول 3 عرض الخسائر العنصر المطلق الناجمة عن زيادة المنتجات الايونيه. عناصر مختلفه تظهر درجه حرارة مختلفه تعتمد علي الرشح في المياه العملية. تم نقل الكلور والبوتاسيوم بشكل مكثف إلى المياه العملية عند 150 درجه مئوية ، في حين اظهر الكبريت والمغنيسيوم والصوديوم والكالسيوم والزنك ، الباريوم ، المنغنيز ، و السترونشيم اعلي معدل نضوب عند 170 درجه مئوية. وقد اظهر تركيز الفضة والليثيوم فقط في المبيد الحيوي انخفاضا في درجه الحرارة التي كانت مستقله ، في حين ان النيتروجين لم يتاثر بالعلاج علي الإطلاق. وكان مجموع خسائر الغبار غرامه الكلور والبوتاسيوم والمغنيسيوم والصوديوم والكالسيوم في 150 درجه مئوية ، 170 درجه مئوية و 185 درجه مئوية 5,782 مغ/كغ ، 8,529 مغ/كغ و 8,833 ملغم/كغم ، علي التوالي ، في حين ان مجموع الخسائر من المعادن الثقيلة الكمية كان 87 ملغم/كغ ، 170 ملغم/كغم و 182 ملغم/كغم ل150 درجه مئوية ، 170 درجه مئوية و 185 درجه مئوية ، علي التوالي ، واظهر محتوي الكبريت خسائر 548 و 2,089 و 2,431 ملغم/كغم لكل من 150 درجه مئوية و 170 درجه مئوية و 185 درجه مئوية ، علي التوالي.

Figure 1
الشكل 1: نطاقات القيمة النموذجية للكتلة الحيوية ، الخث ، الليغنيت ، الفحم والانثراسايت في الرسم البياني فان كريفلين 18 , 20 , 30 , 41ويبين الملحق الداخلي النسبة الذرية O/c و H/c من عينات الفحم mahc. (ا) الجفاف أساسا. (ب) الجفاف والتجفيف بالخشب. (ج) الجفاف أساسا. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: صور للمواد الخام والمواد الحيوية والمياه المعالجة بعد المعالجة درجه الحرارة الخاصة بها. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: النض من السلائف الانبعاثات من الكتلة الحيوية الصفصاف SRC في المئة علي أساس وزن الكتلة الحيوية الخام. وتحسب النسبة المئوية لفقدان الوزن علي أساس وزن الكتلة الحيوية غير المعالجة. يظهر الرسم البياني السفلي العناصر ذات معدل الرشح العالي بين 150 − 170 درجه مئوية ويظهر الرسم البياني العلوي عناصر ذات سلوك النض مختلف. تم تعديل هذا الرقم من Knappe et al.42. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

معلمات خشب الصفصاف 150 درجه مئوية 170 درجه مئوية 185 درجه مئوية
الفحم
كتلهالفحم الخسارة (٪) - 7.60 ± 2.93 25.54 ± 2.87 28.89 ± 1.96
ارتفاع قيمه التسخينالفحم (J g-1): 18,843 ± 96 18,551 ± 143 19,358 ± 314 20,029 ± 88
انخفاض قيمه التدفئةالفحم (J g-1) 17,430 ± 130 17,220 ± 180 18,130 ± 310 18,730 ± 120
معالجه المياه
الرقم الهيدروجيني 4.25 3.6 3.6
فورفورال (مغ كغ-1) 0 0.1 ± 0.005 1.565 ± 0.031
5-ميثيلفورفورال (مغ كغ-1) 0 0.009 ± 0.0001 0.012 ± 010002

الجدول 1: محتوي الطاقة وخصائص مياه المعالجة. وهو يظهر الخسارة الشاملة وقيم التسخين الأعلى والأدنى من المواد الخام والمبيدات الحيوية وكذلك درجه الحموضة وتركيزات فورفورال و 5-ميثيلفورفورال من المياه العملية.

العلاج محتوي الرماد (٪) ن S Cl ك ملغ Na كاليفورنيا
(% DM) (% DM) (% DM) (مغ/كغ) (مغ/كغ) (مغ/كغ) (مغ/كغ)
الخام 1.96 ± 0.08 0.47 ± 0.01 0.48 ± 0.19 0.24 ± 0.01 3,113 ± 26 710 ± 11 348 ± 50 11,768 ± 240
150 درجه مئوية 1.15 ± 0.03 0.41 ± 0.04 0.41 ± 0.17 0.06 ± 0.02 616 ± 14 625 ± 23 311 ± 45 9,501 ± 189
* - - * ** * - **
170 درجه مئوية 0.90 ± 0.06 0.40 ± 0.03 0.24 ± 0.04 0.07 ± 0.01 534 ± 31 383 ± 36 303 ± 66 8,917 ± 141
* * ** * ** * - **
185 درجه مئوية 1.04 ± 0.04 0.43 ± 0.05 0.14 ± 0.01 0.05 ± 0.03 525 ± 21 371 ± 44 301 ± 32 8,880 ± 191
* - ** * ** * - **
DM: الكتلة الجافة.

الجدول 2: سلائف انبعاثات مختاره ومحتوي الرماد الإجمالي. وتشير النجوم إلى مستوي الاهميه (* ، ص < 0.05 ؛ * * ، ص < 0.01 ؛ * * * ، ص < 0.001).

العلاج مثل القرص المضغوط Pb الزئبق ني الزنك بكالوريوس Ag مليون ريال لي
ملغم/كغم
الخام بلا تاريخ بلا تاريخ بلا تاريخ بلا تاريخ بلا تاريخ 106 ± 3 14 ± 1 37 ± 4 75 ± 1 30 ± 1 27 ± 3
150 درجه مئوية بلا تاريخ بلا تاريخ بلا تاريخ بلا تاريخ بلا تاريخ 77 ± 2 13 ± 1 35 ± 4 51 ± 1 19 ± 1 24 ± 2
* * - ** ** -
170 درجه مئوية بلا تاريخ بلا تاريخ بلا تاريخ بلا تاريخ بلا تاريخ 57 ± 3 8 ± 1 34 ± 3 26 ± 1 10 ± 1 20 ± 1
* ** - ** ** **
185 درجه مئوية بلا تاريخ بلا تاريخ بلا تاريخ بلا تاريخ بلا تاريخ 55 ± 2 7 ± 1 27 ± 2 29 ± 1 9 ± 1 17 ± 2
* ** ** ** ** **
بلا تاريخ: لم يتم الكشف عن (أدناه عتبه محدده العنصر).

الجدول 3: محتوي المعادن الثقيلة في المواد الخام وعينات MAHC. وتشير النجوم إلى مستوي الاهميه (* ، ص < 0.05 ؛ * * ، ص < 0.01 ؛ * * * ، ص < 0.001).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

وتسمح هذه المادة بالتفريق بين خطوات التحلل الكيميائي من خلال تطبيق كثافات مختلفه من المعالجة الحرارية. ولذلك ، فمن الممكن لتقييم التفاعلات بين الخسارة الجماعية ، O/C-H/C نسبه ، وقيمه التدفئة ، والحد من مكون الرماد ، وزيادة درجه الحموضة في المياه عمليه وتراكم الفوران في عمليه المياه. ويستند الاستفادة من طريقه MAHC علي أسلوب المفاعل HTC التقليدية علي التوصيل الحراري عن طريق الموجات الدقيقة التي تخترق حجم المفاعل بأكمله واجراء الحرارة علي المستوي الجزئي بدلا من تسخين حجم المفاعل بطبقات الماكروسكوبيه من درجات حرارة مختلفه10. وقد سمح ذلك بتحديد ثلاث مراحل مختلفه من التحلل ، والتي كانت ناجمه أساسا عن الجفاف والانحلال الضوئي للمونومرات المعنية. وسوف التحلل المائي و deاسيتيل من هيميسيلولوز زيادة طفيفه في نسبه H/C من الكتلة الحيوية ، وانه لم يكن من الممكن لعزل هذه التفاعلات في هذه التجربة ، علي سبيل المثال ، في 150 درجه مئوية. الخطوة درجه الحرارة الثانية (150 − 170 درجه مئوية) الناجمة عن انخفاض في نسبه O/C بسبب decarboxylation. ويشير الانخفاض في نسبه H/C إلى الجفاف الموازي. بين 170 و 185 درجه مئوية ، كان هناك تغيير طفيف في نسبه O/C ولكن انخفاض نسبي في نسبه H/C ، والتي يمكن تفسيرها عن طريق التخفيض. ومع ذلك ، لم يتم رصد تشكيل الغاز في هذه التجارب ، لان مفاعل الميكروويف لم يسمح بالوصول إلى المرحلة الغازية اثناء رد الفعل. ومن الممكن أيضا ان الجفاف من مجموعات OH أكثر استقرارا الثالثة ، وسيطه شكلت اثناء الجفاف من السكريات إلى الفوران (الجدول 1) ، تسبب هذا التحول H/C. تتطلب مجموعات OH الثالثية طاقة تنشيط اعلي وتتدهور عند درجات حرارة اعلي. وكانت نسبه التجانس بين الكتلة الحيوية للمنتج والصورة العامة O/C و H/C واضحة في الرسم التخطيطي فان كالفن (الشكل 1) ، وان كانت قيم التسخين لم تظهر نفس النزعة (الجدول 1).

التدفئة عينه من الكتلة الحيوية مغمورة في الماء يقتصر علي درجه الحرارة القصوى من 185 درجه مئوية مع الاعداد المستخدمة في هذه الدراسة. ويرجع ذلك إلى الميكروويف المتوسطة استيعاب خصائص المياه (خسارة tanδ 0.123)11. هذه الخاصية تمتص حتى في درجات حرارة مرتفعه ، مما يؤدي إلى درجه الحرارة القصوى التي تعتمد علي قوه الميكروويف التطبيقية ، في حاله هذه الدراسة 185 درجه مئوية مع 850 W. في هذه الدرجة القصوى من درجات الحرارة لا يمكن ان تبقي درجه الحرارة علي مستوي ثابت ، ولكنه يتقلب مماثله للنتائج التي قدمها Dallinger وآخرون11 المؤلفين من الدراسة المذكورة اقتراح أضافه 0.03 م كلوريد الصوديوم لتحقيق ثابت درجه الحراره. ومن شان هذا التدبير ان يضر بمفهوم دراستنا ، لان أضافه عناصر ذات صله بالانبعاثات ستقلل من الأثر المفيد لهذه الدراسة علي وقود الكتلة الاحيائيه.

وكما هو متوقع ، انخفضت نسبه O/C-H/C في المبيد الحيوي مع تناقص درجه الحموضة. والسبب وراء هذا هو الجفاف من المبيدات الحيوية التي تسببت في تشكيل حمض ويستنزف بيوموال من الأكسجين ، والذي بدوره يزيد من قيمه التدفئة من بيوموال ، وكذلك. الأس الهيدروجيني متطابقة في المياه العملية من 170 درجه مئوية والعلاج 185 درجه مئوية واقترح ان أول O/C-H/c انخفاض نسبه الناجمة عن الجفاف و decarboxylation ، في حين كان يهيمن علي O/c-H/C انخفاض نسبه بين 170 درجه مئوية و 185 درجه مئوية من الجفاف. ولا ينتج المبيد الحيوي للأحماض الحيوية الأحماض ولكن الفوران ، التالي ، لا يؤثر علي درجه الحموضة ولكنه ينتج تركيزات فوران اعلي (الشكل 1، الشكل 2، والجدول 1). في هذه الدراسة, 5-وقد أثمرت ميثيل فورفورال بكميات كبيره (الجدول 1), ولكن أظهرت العديد من الدراسات ان تشكيل 5-ميثيلفورفورال هو رد فعل ثانوي مع 5-hmf كتعليم25,26,27 . كما لم نحدد 5-HMF بسبب ضغط بخار منخفضه نسبيا وبرنامج درجه الحرارة المقيدة GC ، ونحن لسنا قادرين علي تاكيد هذه البيانات. وينبغي ان تسعي الدراسات المقبلة إلى تحديد مجموعه كبيره من التحاليل العضوية ، بما في ذلك 5-HMF ، لربط التحليل العضوي للمياه العملية إلى خطوات رد الفعل المنشورة في الأدبيات.

المواد الخام لديها ارتفاع O/C-H/C التذبذب العلاقة. والسبب وراء ذلك هو الطبيعة المنهجية ، وعلي الرغم من الطحن الدقيق قبل التحليل العنصري ، فان الكمية المرتفعة نسبيا من جزيئات اللحاء لم توزع بالتساوي في حجم العينة الصغيرة. وقد افترض هذا التاثير من قبل ليو وآخرون في دراستهم HTC43، ووجدوا نفس التاثير من العلاج htc التي يمكن ان ينظر اليها في هذه الدراسة ، والذي هو تجانس من O/c-H/c العلاقة بسبب الكربون الحرارية التطبيقية. ويمكن تحقيق هذا التجانس بالفعل في درجات حرارة منخفضه نسبيا (الشكل 1).

المعالجة [مهك] في 150 [ك] قلل التدفئة قيمه. هذا مثير للاهتمام ، كما ان العلاج HTC يزيد عاده من قيمه التدفئة. والسبب في هذا السلوك الشاذ هو التحلل المائي. فانه يتحلل الكربوهيدرات في الانسجه الخشبية بواسطة التحلل المائي الاسيتال ، ولكن هذا الانشقاق يستخدم دمج الأكسجين في الجزيئات ، والذي يسبب انخفاض قيمه التدفئة من المنتج التحلل المائي. من وجهه نظر انيرجيتيكال من الواضح ان MAHC أو HTC العلاج غير فعاله في درجات الحرارة التي تسمح فقط التحلل ، كما يتم تخفيض كل من الوزن والتدفئة القيمة. كفاءه الطاقة هي زيادة قيمه التدفئة بين 170 درجه مئوية إلى 185 درجه مئوية (الجدول 1) ، لأنه هنا هو أفضل علاقة مدخلات الطاقة وزيادة قيمه التدفئة. ويمكن الخلوص إلى ان درجات الحرارة المرتفعة فعاله في حاله الهدف المتمثل في زيادة قيمه التسخين للمواد الخام. ومع ذلك ، أثبتت دراسات أخرى ان التحول من الكربون HTC إلى تسييل HTC في درجات حرارة اعلي يقلل من الغلة البيولوجية 9 وان العديد من العوامل الأخرى (علي سبيل المثال ، نوع من المواد24 وحجم الجسيمات9) يؤثر الغلة البيولوجية ، كذلك.

ومن وجهه نظر استنفاد سلائف الانبعاثات من المواد الخام تكون درجه الحرارة المثلي 170 درجه مئوية ، لان زيادة درجه الحرارة الاضافيه لا تسفر عن معدلات استنفاد اعلي بكثير (الشكل 3). لا سيما السلائف الغبار غرامه الكلور والبوتاسيوم والمغنيسيوم والصوديوم والكالسيوم لا تستجيب لارتفاع درجه الحرارة من 170 درجه مئوية (الجدول 2 والشكل 3). أعطيت مثال من الأدب ب [رزا] [آت ال]., الذي أسس ان يزيد العملية درجه حرارة من 200 [ك] إلى 260 [ك] يقود إلى قابل للمقارنة رماد استنزاف23. وهذا يؤدي إلى استنتاج مفاده انه في حاله الهدف من العلاج هو خفض الرماد درجه حرارة العملية له الأمثل ، وينبغي ان لا تتجاوز أو ان تكون اقل من هذا الأمثل. ويظهر سلوك النض من الفلزات الثقيلة نفس الاتجاه (الجدول 2، الجدول 3، والشكل 3). ولذلك ، يمكن تخفيض الرماد الإغراق من المعادن الثقيلة الرماد فلتر الغنية في محطات التدفئة المتوسطة والواسعة النطاق ، التالي ، يمكن حفظ التكاليف بسبب علاج HTC تكييفها. انخفاض الزنك عند 150 درجه مئوية يقلل من تركيز هذا العنصر تحت الحد الأقصى 100 مغ/كغ وفقا ل DIN EN ISO 17225-2. فقط محتوي الكبريت والكلور من كل من المواد الخام والمادة البيولوجية MAHOAL لا يسمح بالتكوير من المواد الخام ولا البيولوجية (حدود 0.05 مغ/كغ و 0.03 مغ/كغ ، علي التوالي). ولذلك ، يمكن استخدام المادة الحيوية أو المواد الخام في محطات التدفئة المتوسطة أو الكبيرة مع تدابير الحدx SO وحمض المقاومة ضد الكبريتيك وحمض الكلور. وهناك جانب إيجابي من الرشح العنصري هو الحد من البوتاسيوم والمغنيسيوم بنسبه 83 ٪. كلا العنصرين هي مخفضات درجه الحرارة ذوبان الرماد والقضاء عليها يقلل من خطر انسداد أنظمه نقل عن طريق تشكيل الخبث (الشكل 3).

في هذا دراسة حللت التركيز عنصريه في النوع فحم كان, غير ان مع ال يطبق طرق العمليات من ملح تشكيل في العملية ماء استطاع لم يكن حللت. هناك علي الأرجح تفاعل الحل المعادن من المرحلة صلبه إلى الطور سائله, قلوية ملح تشكيل في الطور سائله وترسيب من الأملاح في الطور صلبه. في الدراسات المستقبلية سيكون من المثير للاهتمام لتحليل طرد بيليه من المياه العملية لأملاح عجلت لكسب داخل هذه العمليات.

و MAHC يسمح لدراسة الخلافة تفاعل كيميائي اثناء المعالجة الحرارية للكتلة الحيوية حتى في درجات الحرارة المنخفضة ، والتي يمكن ان ينظر اليها في درجه الحرارة الاعتماد علي خطوات عمليه التحلل المائي ، والجفاف و decarboxylation. وفي اطار هذه الدراسة ، تم التعرف علي 170 درجه مئوية باعتبارها درجه الحرارة المثالية للوصول إلى حد اقصي نسبي لتكثيف الطاقة ، وهو حد اقصي لخفض سلائف الانبعاثات في مدخلات منخفضه نسبيا من الطاقة. وهذا يسمح لتطبيق MAHC وأيضا طريقه HTC لترقيه منخفضه الجودة الوقود الحيوي عاليه الانبعاثات عن طريق الحد من انبعاثات السلائف. وهذه الكتلة الاحيائيه وفيرة في المدن وفي المناطق الريفية في شكل أوراق أو لحاء أو قش. ستكون هناك حاجه إلى هذه الكتلة الاحيائيه لإمدادات المواد الخام في سيناريو إنتاج الطاقة المستدامة. والعيب الرئيسي هو ان التكنولوجيا المقترحة أكثر تكلفه من توريفصيل ، وانها تتطلب التخلص من المياه العملية ، والتي هي المعادن والعضوية النفايات الغنية المجمعة التي يجب ان تعالج اما من قبل مصنع الغاز الحيوي أو محطه معالجه مياه الصرفال44 . ولذلك ، تقتصر التطبيقات الحديثة علي الدراسات المختبرية11و13. وقد يؤدي تشغيل عمليه MAHC في درجات حرارة منخفضه جدا إلى تعريض قدرتها علي الاستدامة الذاتية للطاقة لأنه قد لا يتم التوصل إلى مرحله تحويل الكتلة الحيوية لجميع المؤشرات البيولوجية. وفي هذه الحالة ، سيكون تطبيق الأسلوب مرتبطا بالأماكن التي لها فائض من الطاقة الحرارية (مثل محركات الاحتراق الخاصة بالتنقل أو بمولدات طاقة الوقود الاحفوري).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

وليس لدي المؤلفين ما يفصحون عنه.

Acknowledgments

ويود المؤلفون ان يشكروا كريستوف وارث ، ومايكل روس ، وكارولا ليبسكي ، وجوليان تيخادا ، والدكتور راينر كيرشوف علي دعمهم الفني. تم تمويل الدراسة من قبل BMBF (مشروع BiCoLim-بيو-للاحتراق Limpios) تحت المنحة رقم 01DN16036.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
5MS non-polar cloumn Thermo Fisher Scientific,Waltham, USA TraceGOLD SQC GCMS
9µm polyvinylalcohol particle column Methrom AG, Filderstadt, Germany Metrosep A Supp 4 -250/4.0 Ion chromatography
argon Westfalen AG, Münster, Germany UN 1006 ICP-OES
calorimeter IKA-Werke GmbH & Co.KG, Stauffen, Germany C6000 higher and lower heating value
centrifuge Andreas Hettich GmbH & Co.KG, Germany Rotofix 32 A
centrifuge mill Retsch Technology GmbH, Haan,
Germany		 ZM 200
ceramic dishes Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany XX83.1 Ash content
cutting mill Fritsch GmbH, Markt Einersheim, Germany pulverisette 19
D(+) Glucose Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany X997.1 higher and lower heating value
elemental analyzer elementar Analysesysteme GmbH, Langenselbold, Germany varioMACRO cube elemental analysis
exicator DWK Life Sciences GmbH, Wertheim, Germany DURAN DN300 Ash content
GC-MS system Thermo Fisher Scientific,Waltham, USA Trace 1300 GCMS
hydrochloric acid Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany HN53.3 ICP-OES
ICP OES Spectro Analytical Instruments GmbH, Kleve, Germany Spectro Blue-EOP- TI ICP-OES
Ion chromatograph Methrom GmbH&Co.KG, Filderstadt, Germany 833 Basic IC plus Ion chromatography
kiln dryer Schellinger KG, Weingarten, Germany
kiln dryer Schellinger KG, Weingarten, Germany Ash content
mesh filter paper Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany L874.1 ICP-OES
microwave oven Anton Paar GmbH, Graz, Austria Multiwave Go
muffel furnance Carbolite Gero GmbH &Co.KG, Neuhausen, Germany AAF 1100 Ash content
nitric acid Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany 4989.1 ICP-OES
oxygen Westfalen AG, Münster, Germany UN 1072 higher and lower heating value
pH-meter ylem Analytics Germany Sales GmbH & Co. KG, Weilheim,Germany pH 3310 pH
sample bag IKA-Werke GmbH & Co.KG, Stauffen, Germany C12a higher and lower heating value
Standard Laboratory Vessels and Instruments
standard samples Bernd Kraft GmbH, Duisburg, Germany ICP-OES
sulfonamite elementar Analysesysteme GmbH, Langenselbold, Germany SLBS4782 elemental analysis
teflon reaction vessels Anton Paar, Austria HVT50
teflon reaction vessels Anton Paar, Austria HVT50 ICP-OES
tin foil elementar Analysesysteme GmbH, Langenselbold, Germany S12.01-0032 elemental analysis
tungstenVIoxide elementar Analysesysteme GmbH, Langenselbold, Germany 11.02-0024 elemental analysis
twice deionized water Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany
twice deionized water Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany higher and lower heating value
twice deionized water Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany ICP-OES

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Li, C., Zhao, Z. K., Cai, H., Wang, A., Zhang, T. Microwave-promoted conversion of concentrated fructose into 5-hydroxymethylfurfural in ionic liquids in the absence of catalysts. Biomass and Bioenergy. 35 (5), 2013-2017 (2011).
  2. Möller, M., Harnisch, F., Schröder, U. Microwave-assisted hydrothermal degradation of fructose and glucose in subcritical water. Biomass and Bioenergy. 39, 389-398 (2012).
  3. Guiotoku, M., Rambo, C. R., Hansel, F. A., Magalhães, W. L. E., Hotza, D. Microwave-assisted hydrothermal carbonization of lignocellulosic materials. Materials Letters. 63 (30), 2707-2709 (2009).
  4. Guiotoku, M., Rambo, C. R., hansel, F. A., Magalhães, W. L. E., Hotza, D. Microwave-assisted hydrothermal carbonization of lignocellulosic materials. Materials Letters. (63), 2707-2709 (2009).
  5. Kannan, S., Gariepy, Y., Raghavan, G. S. V. Optimization and characterization of hydrochar produced from microwave hydrothermal cabonization of fish waste. Waste Management. , 159-168 (2017).
  6. Elaigwu, S. E., Greenway, G. M. Microwave-assisted and conventional hydrothermal carbonization of lignocellulosic waste material: Comparison of the chemical and structural properties of the hydrochars. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 118, 1-8 (2016).
  7. Elaigwu, S. E., Greenway, G. M. Microwave-assisted hydrothermal carbonization of rapeseed husk: A strategy for improving its solid fuel properties. Fuel Processing Technology. 149, 305-312 (2016).
  8. Chen, W. -H., Ye, S. -C., Sheen, H. -K. Hydrothermal carbonization of sugarcane bagasse via wet torrefaction in association with microwave heating. Bioresource technology. 118, 195-203 (2012).
  9. Nizamuddin, S., et al. Upgradation of chemical, fuel, thermal, and structural properties of rice husk through microwave-assisted hydrothermal carbonization. Environmental science and pollution research international. 25 (18), 17529-17539 (2018).
  10. Nizamuddin, S., et al. An overview of microwave hydrothermal carbonization and microwave pyrolysis of biomass. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology. 17 (4), 813-837 (2018).
  11. Dallinger, D., Kappe, C. O. Microwave-assisted synthesis in water as solvent. Chemical reviews. 107 (6), 2563-2591 (2007).
  12. Qi, X., Watanabe, M., Aida, T. M., Smith, J. R. L. Catalytic dehydration of fructose into 5-hydroxymethylfurfural by ion-exchange resin in mixed-aqueous system by microwave heating. Green Chemistry. 10 (7), 799 (2008).
  13. Nüchter, M., Ondruschka, B., Bonrath, W., Gum, A. Microwave assisted synthesis - a critical technology overview. Green Chem. 6 (3), 128-141 (2004).
  14. Schanche, J. -S. Microwave synthesis solutions from personal chemistry. Molecular Diversity. 7 (2-4), 291-298 (2003).
  15. Kappe, C. O. Controlled microwave heating in modern organic synthesis. Angewandte Chemie (International ed. in English). 43 (46), 6250-6284 (2004).
  16. Gronnow, M. J., White, R. J., Clark, J. H., Macquarrie, D. J. Energy Efficiency in Chemical Reactions: A Comparative Study of Different Reaction Techniques. Organic Process Research & Development. 9 (4), 516-518 (2005).
  17. Kruse, A., Dahmen, N. Hydrothermal biomass conversion: Quo vadis? The Journal of Supercritical Fluids. 134, 114-123 (2018).
  18. Reza, M. T., et al. Hydrothermal Carbonization of Biomass for Energy and Crop Production. Applied Bioenergy. 1 (1), (2014).
  19. Libra, J. A., et al. Hydrothermal carbonization of biomass residuals: a comparative review of the chemistry, processes and applications of wet and dry pyrolysis. Biofuels. 2 (1), 71-106 (2011).
  20. Reza, M. T., Uddin, M. H., Lynam, J. G., Hoekman, S. K., Coronella, C. J. Hydrothermal carbonization of loblolly pine: reaction chemistry and water balance. Biomass Conversion and Biorefinery. 4 (4), 311-321 (2014).
  21. 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).
  22. Kruse, A., Funke, A., Titirici, M. -M. Hydrothermal conversion of biomass to fuels and energetic materials. Current opinion in chemical biology. 17 (3), 515-521 (2013).
  23. Reza, M. T., Lynam, J. G., Uddin, M. H., Coronella, C. J. Hydrothermal carbonization: Fate of inorganics. Biomass and Bioenergy. 49, 86-94 (2013).
  24. Zhang, D., et al. Comparison study on fuel properties of hydrochars produced from corn stalk and corn stalk digestate. Energy. 165, 527-536 (2018).
  25. Huang, Y. -B., Yang, Z., Dai, J. -J., Guo, Q. -X., Fu, Y. Production of high quality fuels from lignocellulose-derived chemicals: a convenient C-C bond formation of furfural, 5-methylfurfural and aromatic aldehyde. RSC Advances. 2 (30), 11211 (2012).
  26. Van de Vyver, S., Geboers, J., Jacobs, P. A., Sels, B. F. Recent Advances in the Catalytic Conversion of Cellulose. ChemCatChem. 3 (1), 82-94 (2011).
  27. Delidovich, I., Leonhard, K., Palkovits, R. Cellulose and hemicellulose valorisation: an integrated challenge of catalysis and reaction engineering. Energy & Environmental Science. 7 (9), 2803 (2014).
  28. Sevilla, M., Fuertes, A. B. The production of carbon materials by hydrothermal carbonization of cellulose. Carbon. 47 (9), 2281-2289 (2009).
  29. Yao, Z., Ma, X. Characteristics of co-hydrothermal carbonization on polyvinyl chloride wastes with bamboo. Bioresource technology. 247, 302-309 (2018).
  30. Funke, A., Ziegler, F. Hydrothermal carbonization of biomass: A summary and discussion of chemical mechanisms for process engineering. Biofuels, Bioproducts and Biorefining. (4), 160-177 (2010).
  31. Liu, Z., Balasubramanian, R. Upgrading of waste biomass by hydrothermal carbonization (HTC) and low temperature pyrolysis (LTP): A comparative evaluation. Applied Energy. 114, 857-864 (2014).
  32. Khalsa, J., Döhling, F., Berger, F. Foliage and Grass as Fuel Pellets-Small Scale Combustion of Washed and Mechanically Leached Biomass. Energies. 9 (5), 361 (2016).
  33. Saddawi, A., Jones, J. M., Williams, A., Le Coeur, C. Commodity Fuels from Biomass through Pretreatment and Torrefaction: Effects of Mineral Content on Torrefied Fuel Characteristics and Quality. Energy & Fuels. 26 (11), 6466-6474 (2012).
  34. Energie aus Biomasse: Grundlagen, Techniken und Verfahren. Kaltschmitt, M., Hartmann, H., Hofbauer, H. , Springer Vieweg. (2016).
  35. Fengel, D., Wegener, G. Wood: Chemistry, Ultrastructure, Reactions. , Walter de Gruyter. Berlin. (1989).
  36. Obernberger, I., Thek, G. Physical characterisation and chemical composition of densified biomass fuels with regard to their combustion behaviour. Biomass and Bioenergy. 27 (6), 653-669 (2004).
  37. Kenney, W. A., Sennerby-Forsse, L., Layton, P. A review of biomass quality research relevant to the use of poplar and willow for energy conversion. Biomass. 21 (3), 163-188 (1990).
  38. Tharakan, P. J., Volk, T. A., Abrahamson, L. P., White, E. H. Energy feedstock characteristics of willow and hybrid poplar clones at harvest age. Biomass and Bioenergy. 25 (6), 571-580 (2003).
  39. Liu, Z., Quek, A., Balasubramanian, R. Preparation and characterization of fuel pellets from woody biomass, agro-residues and their corresponding hydrochars. Applied Energy. , 1315-1322 (2014).
  40. Technischen Komitee ISO/TC 238. "Solid biofuels" und Technisches Komitee CEN/TC 335 "Biogene Festbrennstoffe" Solid biofuels - Determination of calorific value (ISO 18125:2017); German version EN ISO 18125:2017. , Beuth. Berlin. (2017).
  41. Kambo, H. S., Dutta, A. A comparative review of biochar and hydrochar in terms of production, physico-chemical properties and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 45, 359-378 (2015).
  42. Knappe, V., et al. Low temperature microwave assisted hydrothermal carbonization (MAHC) reduces combustion emission precursors in short rotation coppice willow wood. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 134, 162-166 (2018).
  43. Liu, Z., Quek, A., Kent Hoekman, S., Balasubramanian, R. Production of solid biochar fuel from waste biomass by hydrothermal carbonization. Fuel. 103, 943-949 (2013).
  44. Hoekman, S. K., Broch, A., Robbins, C., Zielinska, B., Felix, L. Hydrothermal carbonization (HTC) of selected woody and herbaceous biomass feedstocks. Biomass Conversion and Biorefinery. 3 (2), 113-126 (2013).

Tags

الكيمياء ، الإصدار 147 ، الكربون الحراري (htc) ، درجه الحرارة المنخفضة htc ، ترقيه الوقود الحيوي ، الحد من عنصر التتبع ، زيادة القيمة التدفئة ، التناوب القصير اجمه
الحد من انبعاثات الوقود الخشب الصفصاف بدرجه حرارة منخفضه الميكروويف بمساعده الكربون الحراري
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Knappe, V., Paczkowski, S., Robles,… More

Knappe, V., Paczkowski, S., Robles, L. A. D., Gonzales, A., Pelz, S. Reducing Willow Wood Fuel Emission by Low Temperature Microwave Assisted Hydrothermal Carbonization. J. Vis. Exp. (147), e58970, doi:10.3791/58970 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter