Summary
En protokol for hydrotermisk forkulning af vegetabilsk madaffald i en autoklave præsenteres, med efterfølgende tør termisk behandling ved 275 °c i en kontinuerlig strømnings reaktor sorptionsmiddel flygtige organiske stoffer. Formålet er at producere et kulstof materiale, der egner sig som jord ændrings produkt eller substrat komponent.
Abstract
En to-trins procedure er beskrevet for syntesen af et kulstof materiale med en lignende sammensætning og egenskaber som tørv. Den producerede hydrochar er lavet egnet til landbrugsformål ved at fjerne plantevækst hæmmende stoffer. Vådt husholdningsaffald såsom frugtskaller, kaffe grunde, ikke-spiselige vegetabilske dele eller vådt lignocellulosisk materiale i almindelighed, behandles i tilstedeværelse af vand ved 215 °C og 21 bar i en autoklave, dvs ved hydrotermisk karbonisering. Alle disse rester har et betydeligt vandindhold på op til 90 vægtprocent (WT%). Tilsætning af vand udvider proceduren til tørrere materialer såsom nøddeskaller eller endda have beskæring og komposable polymerer, dvs plastikposen til indsamling af rester.
Normalt producerer det resulterende kulstof materiale, kaldet hydrochar, en negativ effekt på plantevækst, når det tilsættes til jord. Det antages, at denne effekt er forårsaget af adsorbede fytotoksiske forbindelser. En simpel efter behandling under inert atmosfære (fravær af ilt) ved 275 °C fjerner disse stoffer. Derfor er den rå hydrochar placeret på en glasfritte af en lodret tubulær kvarts reaktor. En nitrogen gasstrøm anvendes i nedadgående retning. Røret opvarmes til den ønskede temperatur ved hjælp af en varmekappe i op til en time.
Succesen med den termiske behandling er let kvantificeret ved termo gravimetri (TG), udført i luft. Et vægttab bestemmes, når temperaturen på 275 ° c er nået, da flygtige indhold desorbed. Dens beløb er reduceret i det endelige materiale, i forhold til den ubehandlet hydrochar.
Den to-trins behandling konverterer husholdnings rester, herunder komposterings bare poser ansat til deres samling, i et kulstof materiale, der kan tjene som plantevækst promotor og, på samme tid, som en kulstofdræn for klimaændringer afbødning.
Introduction
Hydrotermisk karbonisering (HTC) er en ny teknologi til affaldshåndtering af våde, behandling ressourcer. Denne teknologi blev genopdaget af Antonietti og Titirici og anvendt på fyrretræs nåle, fyrre kegler, egetræs blade og appelsinskræl1. Derved omdannes biomassen til hydrochar, et Kulholdig fast stof, der svarer til brunkul2,3 eller tørv4,5. Siden da har mange rest råmaterialer været behandlet som agroindustri affald6,7,8, den organiske fraktion af kommunalt fast affald (ofmsw)9eller papirmølle slam10. Teknologien anvendes også som forbehandling af biomasse til pyrolyse og gasning11. Desuden giver proceduren moderne nanoteknologi materialer fra homogene vedvarende ressourcer såsom sukker eller cellulose. Disse avancerede materialer har potentiale for fremtidige applikationer som elektroderne til genopladelige batterier, brændselsceller eller Super kondenatorer, gasoplagring, sensorer eller lægemiddel levering12,13.
Hydrochar er et kulstof materiale, og som sådan kan det bruges som vedvarende fast brændsel, især når det produceres af lav-værdi, heterogene ressourcer med variabel (sæsonbestemt eller regional) sammensætning. Men hydrochar produktion og dens anvendelse på jord, i stedet for sin umiddelbare forbrænding, vil have et tredobbelt bidrag til afbødning af klimaændringer. Først vælger HTC som Affaldshåndterings teknologi undgår emission af den kraftige drivhusgas methan under kompostering eller ukontrolleret nedbrydning14,15. For det andet, at undgå forbrænding af hydrochar efter en kort periode og anvende det på jorden, fjerner kuldioxid fra atmosfæren i en længere periode, dvs, det består i reel kulstofopsamling og lagring (CCS)16,17. For det tredje, i almindelighed, char ændret jord er mere frugtbar jord (sort jord) og plantevækst er steget. 18 , 19 dette reducerer anvendelsen af gødning og kuldioxidemissionerne i forbindelse med deres produktion ud over at bevare ressourcerne. Desuden fjerner yderligere plantevækst mere kuldioxid fra atmosfæren.
Selv om det er helt klart, at der er mange indlysende argumenter for anvendelsen af hydrochar til jord, materialet indebærer en ulempe: rå hydrochar ikke opfører sig nøjagtigt som Biochar, der er produceret af pyrolyse. Hydrochar ikke klart øge plantevækst eller endnu værre, ofte det forårsager en temmelig negativ effekt20,21,22. Derfor tilskyndes landmændene ikke til at anvende det, og endnu mindre til at betale penge for det. Heldigvis kan denne ulempe afbødes eller elimineres. Den letteste fremgangsmåde er blot at vente på den anden dyrkningscyklus22. Også vaskninger20,21,22,23 eller co-kompostering24 er vellykkede behandlinger til dette formål. Men alle disse procedurer kræver tid eller producere en vandig strøm, der har brug for yderligere omhu.
For nylig har det vist sig, at rå hydrochar kan udsættes for en blød termisk efter behandling25. Formålet med denne procedure er blot at Red de uønskede flygtige og skadelige stoffer. Den resulterende koncentrerede strøm af hovedsagelig organisk materiale kan valoriseres termisk in situ. Som sådan er energibalancen i HTC-anlægget forbedret, og enhver miljørisiko ved side strømmen forhindres. Spire tests viser, at behandlingen er vellykket, når den udføres ved temperaturer på 275 °C eller højere.
Denne protokol (Se figur 1) omfatter to reaktionstrin og en enkel analytisk metode til evaluering af reaktions resultatet. Under det første trin omdannes biomassen til rå hydrochar i en autoklave ved 215 °C og ved 21-bar tryk. Her er husholdnings rester ansat som råvare. Disse omfatter alle former for vegetabilsk materiale såsom frugt skræl, frugtsten, uspiselige vegetabilske dele, kaffepladser, køkkenpapir, kompokable plastikposer osv. Det Kulholdig materiale opsamles ved filtrering og tørret. For det andet trin anbringes den på en glasfritte af en lodret rørformet reaktor, der anvender gasstrømmen i en nedadgående strømningsretning. Røret opvarmes til 275 °C i 1 time. Det resulterende fast stof analyseres ved termo gravimetri (TG) i luften. Det materielle tab op til 275 °C kvantificeres og sammenlignes med det observerede tab ved ubehandlet hydrochar. Kulstof materialet kan yderligere karakteriseres ved elementær analyse (C, H, N og S), askeindhold og aske sammensætning (hovedsagelig ca, al, si og P).
Protocol
1. hydrotermisk karbonisering af husholdnings rester
- Beregning af de passende mængder vand og biomasse til reaktionsblandingen.
- Reaktionsblandingen skal fylde halvdelen af autoklave Rens volumen. Antag, at blandingens massefylde er ca. 1 g/mL, og Beregn mængderne efter vægt. Ca. 80 vægtprocent bør være vand og resten fast stof. Samlet vandindhold er ikke afgørende og kan variere fra 70 til 85 WT%.
- Vælg biomassen fra køkken rester såsom frugt skræl eller uspiselige vegetabilske dele. Med det formål at beregne en nøjagtig massebalance for afsnit 1, tørres en prøve af biomassen ved 100 – 105 °C i en ovn i 2 timer eller natten over. Den opnåede masse er det solide spørgsmål om biomassen. Alternativt kan du bruge litteraturdata (nøjagtighed er reduceret).
- Beregn hvor meget våd biomasse er nødvendig for at oplade autoklave med 20 vægt% af fast stof, og hvor meget af vand der skal indføres sammen med det. Beregn, hvor meget vand der kræves for at nå det ønskede vand beløb i reaktoren.
- Opladning af autoklave.
Forsigtig: autoklave skal være forsynet med en ruptur skive med et brast Tryk på 50 bar.- Veje biomasse og vand som beregnet i trin 1.1.3 og introducere begge i autoklave.
- Luk autoklave og tryk det med nitrogen op til 20 bar. Bekræft, at der ikke er noget tryktab over 30 min. Dette sikrer, at beholderen er korrekt lukket uden lækager. Frigør trykket og luk beholderen igen.
- Carbonization reaktion.
- Tænd for omrøring. Auto Clave opvarmes til 215 °C inden for 30 minutter, og temperaturen holdes i mindst 4 timer eller over natten.
- Overvåge trykket for de første 2 h. Generelt følger det damptryks kurven af vand op til 21 bar. Hvis trykket ikke stiger, enten varme ikke fungerer korrekt, eller beholderen er ikke lukket ordentligt. Hvis dette sker, stoppe reaktionen og kontrollere opvarmning og forsegling.
- I sjældne tilfælde, f. eks., hvis biomassen er tilbøjelig til at dekarboxylering, kan det maksimale tryk være 5 til 10 bar højere end 21 bar forårsaget af damptryk ved 215 °C. Hvis trykket overstiger 35 bar, slukkes opvarmningen og afbryder reaktionen. Når det er kølet ned til stuetemperatur forsigtigt frigive det resterende tryk og starte forfra fra trin 1.3.1.
- Genopretning af den rå hydrochar.
- Når autoklave er kølet ned til stuetemperatur ved naturlig afkøling, forsigtigt frigive eventuelle resterende tryk og åbne autoklave.
- Separat fast og flydende ved vakuum filtrering med en Buchner tragt. Den flydende fase bortskaffes som vandig opløsning blandt farligt laboratorieaffald.
- Tør fastheden ved 100 til 105 °C i en ovn i 2 timer eller natten over. Beregn massebalancen for det første trin, nemlig hydrotermisk karbonisering (afsnit 1). Til dette, tage hensyn til tør vægt af biomasse og tør vægt af produktet.
2. termisk behandling af rå hydrochar i batch-tilstand
- 1 g tør rå hydrochar vejes, og den placeres på en glasfritte af en tubulær kvarts reaktor (batch reaktor).
- For større mængder som 10 til 20 g, brug pelletiseret materiale med en partikelstørrelse på 0,2 til 6 mm. ellers kan forekomsten af foretrukne kanaler hæmme en homogen behandling af prøven.
- Placer reaktorens varmekappe, og Tilslut en nedstrøms nitrogenstrøm på 20 mL/min. Anbring et lille bæger under reaktoren for at indsamle kondenserede væsker. Køling er ikke påkrævet.
- Aspirere gasser ved stikkontakten og føre dem til udstødningen eller placere hele reaktoren i en udstødnings hætte. Reaktoren opvarmes til 275 °C med en rampe på 10 grader/min. Bevar temperaturen i 1 time.
- Frakobl gasstrømmen, når den afkøles til stuetemperatur igen. Kassér den væske, som er opsamlet i bægerglasset, til de ikke-halogenerede organiske rester. Genvinding af kulstof materialet og vejning. Massebalancen beregnes for punkt 2, dvs. termisk behandling, fra de anvendte og opnåede masser og for den samlede reaktion fra massen opnået ved den termiske behandling og den tørre biomasse, som anvendes i Forkulnings trinnet.
3. analyse af slutproduktet efter termo gravimetrisk (TG)
- Produktet knuses i en mørtel og vejes en 10 mg prøve i en smeltedigel af apparatet.
- Smeltedigelen anbringes i Autosampler på TG-apparatet, og der vælges analysebetingelser: Justér maksimumtemperaturen til 600 °C, og Ansæt luft som feje gas og en temperatur rampe på 10 grader/min.
- Starte analysen.
- Massetabet ved 275 °C i TG-kurven kvantificeres ved beregning af forskellen mellem Initial vægten og den observerede ved denne temperatur (Se figur 2). Udtryk massetabet som procentdel af den oprindelige vægt. Sammenlign værdierne af behandlede og rå prøver. Der observeres en klar reduktion.
Representative Results
Denne protokol giver hydrochar egnet til landbrugsformål i to trin (figur 1): hydrotermisk karbonisering, som efterfølges af en termisk efter behandling. I forkulning reaktionen omdannes våd lignocellulosisk biomasse til et kulstofholdige materiale. Succesen af reaktionen kan bestemmes ved simpel visuel inspektion: den faste prøve skal have vendt brunlig, og jo mørkere den brune farve, jo mere avancerede karbonisering reaktion. Karboniseringsgraden afhænger af reaktions sværhedsgraden, som kan påvirkes af reaktionstiden; en længere reaktionstid, for eksempel natten over, sikrer et optimalt reaktions resultat. En højere forkulning grad er altid relateret til en lavere masse udbytte.
Trykket under reaktionen skal øges til mindst 21 bar, hvilket er det autogene damptryk ved 215 °C. Generelt stiger trykket dog ud over denne værdi som vist i tabel 1. Reaktions trykket er på en eller anden måde uforudsigeligt og afhænger af den slags biomasse og dens tilstand af nedbrydning. Det er sandsynligt, at dannelsen af permanente gasser, såsom kuldioxid, er ansvarlig for trykstigningen og trykforøgelsen under reaktionen (med hensyn til damptrykket på 21 bar) forbliver efter afkøling af autoklave (tabel 1 ; reduceret ved justering til lavere temperatur). Det øgede pres kan have en negativ indvirkning på masse udbyttet af det faste stof (råmaterialet omdannes til gasformigt kuldioxid), men bortset fra dette er det ikke til skade for det overordnede mål. En klar begrænsning af trykstigningen er sikkerhedsgrænsen for reaktions apparatet, fx sprængningen af rupturskiven. Små lækager kan være grunden til, at 21-bar trykket ikke er nået. Trykket skal dog nå mindst 15 bar.
Masse udbyttet af karboniseringen omfatter en bred vifte fra 30 til 90 WT%, typisk fra 50 til 65 WT% (tabel 1). Masse udbyttet er normalt højere for og materiale med et højere ligninindhold og lavere for rene sukker polymerer (polyacetaler) som stivelse. For eksempel, lavere udbytter er observeret for blade eller kompoerbare poser. Derudover påvirker reaktions sværhedsgraden masse udbyttet. Som allerede nævnt reducerer langvarige reaktionstider masse udbyttet i forhold til udbytter opnået ved kortere reaktioner.
Hvis det ønskes, kan den rå hydrochar karakteriseres kemisk ved elementær analyse26,27. Derved er kulstofindholdet indikativt for karboniseringsgraden. Lignocellulosisk biomasse har et kulstofindhold (på tør og askefrit grundlag [DAF]) på 45 WT%. Denne værdi kan øges til 60 eller 65 WT% af HTC. Værdier over 65 WT% indikerer en allerede avanceret karbonisering i form af HTC. For eksempeldata Se tabel 2.
Den lignocellulosiske biomasse kan anvendes som "rene prøver" til hydrotermisk karbonisering som beskrevet i denne protokol. Dette kan være af særlig interesse for studiet af adfærden af en bestemt type biomasse. I praksis behandles blandinger af biomasse typer imidlertid. I denne protokol blev der derfor anvendt en stikprøve af hydrochar fra et industrielt pilotanlæg. Egenskaberne for denne hydrochar er opsummeret i tabel 3.
Den termiske efter behandling, andet trin i denne protokol, blev udført ved forskellige temperaturer, i intervallet 200 til 300 °C, 275 °C er den nødvendige og tilstrækkelige temperatur25. Fra tabel 4 kan det konstateres, at masse udbyttet aftager successivt, når temperaturen hæves fra 200 til 250 °c, 275 °c og 300 °c, og fra næsten 90 vægt% til 73 vægt%, 74 vægt% og 60 WT% hhv. På grund af den heterogenitet af biomasse, og andre mulige bidrag fra køkken rester mix, denne værdi er ikke fuldt reproducerbare og kan variere i intervallet fra 70 WT% til 80 WT% for behandling ved 275 °C.
I et bæger, der er placeret under reaktor udgangen, opsamles en brun væske, som opdeles i to faser ved stående: en gul nedre vandig fase og en øvre mørkebrun organisk fase. Udbyttet for væsken varierer fra 8 vægt% til 30 vægt% for temperaturintervallet fra 200 til 300 °C, og gennemsnitligt omkring 20wt% for behandlingen ved 275 °C (tabel 4).
Det kan ses, at massebalancen i den termiske behandling ikke når 100 WT%, men opsummerer op til 90 til 95 WT%. Måske er dannelsen af 5 til 10 vægt% kuldioxid, fremstillet ved decarboxylering, årsagen til kløften. Desuden er flygtige forbindelser såsom vand ikke kondenseret helt med reaktionen set-up.
Det endelige produkt kan analyseres for sin fytotoksicitet ved Zucconi's spireevne test28. Kort sagt, frø er udsat for vandige ekstrakter og effekten på rodvækst er kvantificeret (efter flere dage eller uger). Heri er en enkel, standard analyse ansat til en hurtig evaluering af reaktions resultatet, nemlig analyse af termo gravimetri (TG). Herved udsættes en lille prøve for en luftstrøm ved stigende temperatur (f. eks. op til 600 °C), og vægt reduktionen overvåges.
Typiske TG-grafer for forskellige hydrochar prøver vises i figur 2. Massetabet for den rå hydrochar starter ved ca. 200 °C og når næsten 50% ved 300 °C. For den prøve, som blev behandlet ved 200 °C i trin 2, starter massetabet igen ved 200 °C, men ved 300 °C er 70% tilbage. Prøverne behandlet ved højere temperatur under trin 2 begynder at tabe massen under TG analyse ved højere temperatur og ca 90% forbliver ved 300 °C. Det kan derfor ses, at tabet af flygtige stoffer mellem 200 og 300 °C reduceres ved sammenligning af den ene for de behandlede prøver med rå hydrochar. Fjernelsen af dette flygtige materiale var formålet med den termiske behandling og den analytiske metode bekræfter det succes utvetydigt28.
Ved kvantificeringen kan massetabet ved 275 °C bestemmes ved anvendelse af TG-grafen (figur 2). I figur 3præsenterer hele bjælken massetabet for ubehandlet hydrochar prøve (34,6 WT%). Efter behandlingen ved 200 °C var massetabet 17,1 vægt% af den samlede masse under de specificerede analytiske betingelser. Dette svarer til en reduktion af det flygtige indhold på 17,5 procentpoint med hensyn til rå hydrochar. Efter behandlinger ved 250, 275 og 300 °C var det tilsvarende masse tab henholdsvis 6,01, 5,17 og 4,22 vægt% af den totale masse. Det kan konk Les, at behandlingen ved 200 °C fjernede 50 vægt% af disse flygtige stoffer, og den ene ved 250 °C fjernede mere end 80 vægt%. Yderligere temperaturstigning inducerede kun små ændringer.
Figur 1: skematisk beskrivelse af protokollen.
Lignocellulosic-biomasse rester produceret af husholdninger omdannes ved hydrotermisk forkulning (HTC) til rå hydrochar, som underkastes en færdiggørelsesproces, der består i en termisk efter behandling ved 275 °C uden vand. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: termo gravimetrisk analyse af hydrochar prøver.
Kurverne viser vægttabet, når rå hydrochar og prøver behandlet ved forskellige temperaturer blev udsat for luft ved stigende temperatur. De observerede værdier ved 275 °C blev anvendt til sammenligning af effektiviteten af behandlingerne i figur 3. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: vægttab op til 275 °C under analyse af hydrochar ved termo gravimetri.
Rå hydrochar og prøver behandlet ved forskellige temperaturer blev analyseret ved termo gravimetri (TG). Hele bjælken svarer til den mængde, som er elimineret i ubehandlet hydrochar op til 275 °C under analyse af TG (Se fig. 2). Dette beløb kan reduceres ved termisk behandling af hydrochar prøver: af ca 50 WT%, nemlig ved 17,5 procentpoint, ved behandling ved 200 °C (blå farve); en anden 11,1 procentpoint ved behandling ved 250 °C (rød farve); yderligere temperaturstigning af behandlings temperaturen kun viser minimal effekt, nemlig 0,84 og 0,95 procentpoint for behandlingerne ved 275 °C (grå) og 300 °C (orange), hhv. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
| Prøve | Fugt | Vand tilsat | Samlet vand | Tryk (varmt/koldt) | Ydelse fast (tør) | Ydelse fast (tør) | |
| Råvarer | g | [WT%] | g | [WT%] | bar | g | [WT%] |
| Rester af frugt | |||||||
| Pistacie skaller | 5,00 | 8,0 | 10,1 | 69,5 | 22/0 | 2,28 | 49 |
| Oliven sten | 5,10 | 9,0 | 10,1 | 69,5 | 31/9 | 2,55 | 55 |
| Abrikos kerne | 8,74 | 11,5 | 3,33 | 35,9 | 26/13 | 2,56 | 33 |
| Blomme sten | 4,95 | 33,6 | 10,2 | 78,3 | 28/9 | 2,11 | 64 |
| Kirsebærsten | 7,61 | 45,8 | 4,03 | 64,6 | 30/10 | 2,62 | 64 |
| Nispero Stones | 10,7 | 53,0 | 2,41 | 61,6 | 40/14 | 2,57 | 51 |
| Nektarinsten | 9,65 | 48,6 | 5,44 | 67,1 | 27/10 | 3,30 | 67 |
| Banan skind | 15,2 | 89,0 | 2,27 | 90,4 | 25/9 | 0,93 | 56 |
| Melon hud | 16,1 | 87,4 | 2,32 | 89,0 | 24/8 | 0,64 | 32 |
| Ananas kerne | 15,5 | 86,1 | 2,15 | 87,8 | 26/9 | 1,30 | 60 |
| Vegetabilske rester, planter og urteagtige materialer | |||||||
| Palmeblade | 12,6 | 55,1 | 2,17 | 61,7 | 42/17 | 4,95 | 87 |
| Palme | 15,0 | 78,5 | 2,11 | 81,2 | 23/4 | 1,47 | 45 |
| Ananas blade | 15,4 | 78,4 | 1,74 | 80,6 | 21/8 | 1,00 | 30 |
| Kaffe have | 10,8 | 60,9 | 5,08 | 73,4 | 20/9 | 2,73 | 65 |
| Artishoke blade | 15,1 | 80,2 | 2,18 | 82,7 | 31/9 | 1,53 | 51 |
| Salat blade | 15,3 | 91,3 | 1,77 | 92,2 | 20/5 | 0,39 | 29 |
| Calçot blade | 15,0 | 72,7 | 2,80 | 77,0 | 29/11 | 1,54 | 38 |
| Bønne kapsler | 15,1 | 82,6 | 2,30 | 84,9 | 31/4 | 1,43 | 55 |
| Kompoerbare tasker | |||||||
| Komposable taske til hverdagsbrug | 5,01 | 0 | 10,0 | 66,7 | 20/4 | 2,08 | 42 |
| Taske til kompostering | 2,50 | 0 | 5,00 | 66,7 | 16/3 | 0,92 | 37 |
| Komcomable kaffe kapsel (med kaffe grunde) | 5,56 | 31,4 | 8,05 | 72,0 | 26/7 | 1,19 | 31 |
Tabel 1: eksperimentelle data for hydrotermiske carbonizationer.
Mængder af fast stof og vand, der anvendes til reaktioner og udbytte af hydrochar opnået. Tryk værdien angiver det maksimalt observerede tryk ved opvarmning til 215 °C (varmt) og efter afkøling af autoklave til stuetemperatur (kold).
| C (DAF) | H (DAF) | N (DAF) | S (DAF) | |
| Råvarer | [WT%] | [WT%] | [WT%] | [WT%] |
| Rester af frugt | ||||
| Pistacie skaller | 68,0 | 4,66 | 0,34 | 0,00 |
| Oliven sten | 70,0 | 5,97 | 0,81 | 0,00 |
| Abrikos kerne | 68,6 | 6,16 | 2,21 | 0,00 |
| Blomme sten | 69,8 | 6,44 | 1,48 | 0,01 |
| Kirsebærsten | 67,4 | 5,52 | 1,13 | 0,00 |
| Nispero Stones | 67,1 | 5,47 | 1,90 | 0,03 |
| Nektarinsten | 68,8 | 5,39 | 0,88 | 0,04 |
| Banan skind | 71,7 | 6,41 | 2,91 | 0,06 |
| Melon hud | 69,1 | 6,24 | 2,56 | 0,08 |
| Ananas kerne | 68,3 | 5,33 | 1,54 | 0,02 |
| Vegetabilske rester, planter og urteagtige materialer | ||||
| Palmeblade | 63,7 | 6,47 | 2,65 | 0,20 |
| Palme | 63,2 | 6,09 | 2,02 | 0,03 |
| Ananas blade | 60,0 | 6,52 | 2,24 | 0,11 |
| Kaffe have | 66,8 | 6,63 | 3,54 | 0,17 |
| Artishoke blade | 63,2 | 5,77 | 3,28 | 0,13 |
| Salat blade | 57,8 | 6,09 | 3,48 | 0,18 |
| Calçot blade | 63,9 | 5,82 | 3,79 | 0,55 |
| Bønne kapsler | 68,0 | 6,17 | 4,18 | 0,14 |
| Kompoerbare tasker | ||||
| Komposable taske til hverdagsbrug | 56,8 | 5,15 | 0,09 | 0 |
| Taske til kompostering | 61,1 | 5,38 | 0,09 | 0 |
| Komcomable kaffe kapsel (med kaffe grunde) | 60,5 | 5,57 | 2,56 | 0 |
Tabel 2: elementær analyse af hydrochar prøver.
| Ejendom | Enhed | Værdi |
| Askeindhold (tørt grundlag; 815 °C) | [WT%] | 12,9 |
| Flygtige stoffer (tør basis; 900 °C) | [WT%] | 66,4 |
| Fast kulstof (tør basis) | [WT%] | 20,8 |
| C (DAF) | [WT%] | 66,1 |
| H (DAF) | [WT%] | 7,4 |
| N (DAF) | [WT%] | 3,0 |
| S (DAF) | [WT%] | 0,2 |
Tabel 3: næranalyse og elementær analyse af hydrochar prøven anvendt i de termiske behandlinger28.
| Udbytte | Udbytte | |||||||||||||
| Oprindelig masse (hydrochar) | Temperatur | Endelig masse (hydrochar) | masse væske | AF | Af | massebalance | udbytte solid | udbytte væske | AF | Af | ||||
| Løsning | g | °C | g | g | g | g | [%] | [WT%] | [WT%] | [WT%] | [WT%] | |||
| 1 | 15,3 | 275 | 11,0 | 3,14 | 0,125 | 3,02 | 92,2 | 71,7 | 20,5 | 0,82 | 19,7 | |||
| 2 | 20,5 | 275 | 15,6 | 3,82 | 0,74 | 3,05 | 94,4 | 75,8 | 18,6 | 3,61 | 14,9 | |||
| 3 | 30,7 | 275 | 22,5 | 6,79 | 1,01 | 5,78 | 95,6 | 73,5 | 22,1 | 3,29 | 18,8 | |||
| 4 | 15,7 | 200 | 13,7 | 1,27 | 0,26 | 1,01 | 95,8 | 87,7 | 8,10 | 1,66 | 6,44 | |||
| 5 | 15,3 | 250 | 11,2 | 3,27 | 0,25 | 3,02 | 94,5 | 73,2 | 21,3 | 1,63 | 19,7 | |||
| 6 | 15,0 | 300 | 9,07 | 4,46 | 0,593 | 3,87 | 90,1 | 60,4 | 29,7 | 3,95 | 25,8 | |||
| 7a | 15,3 | 275 | 11,8 | 1,79 | 1,02 | 0,77 | 88,9 | 77,2 | 11,7 | 6,68 | 5,05 | |||
| en udført med hydrochar fremstillet af haven beskæring i stedet for OFMSW. | ||||||||||||||
Tabel 4: eksperimentelle data fra de termiske behandlinger.
Efter reaktionen opsamles en solid og en væske. Væsken adskilles ved at stå i en vandig (af) og en organisk fraktion (af). Det manglende beløb tilskrives permanent gasdannelse, fx kuldioxid og ufuldstændig kondensation af flygtige partikler såsom vand.
Discussion
Hydrotermisk forkulning er en meget robust metode og giver altid et kulstofholdige produkt, dvs hydrochar. Dog kan udbyttet og egenskaberne af hydrochar variere, ikke kun på grund af reaktions forhold eller reaktions kontrol, men snarere på grund af heterogenitet og variation af biomassen. For eksempel kan masse udbytte og C-indhold være højere for lignocellulosisk biomasse med et højere ligninindhold eller woody materialer.
I tilfælde af, at en højere forkulning grad (kvantificeret ved elementær analyse) ønskes, kan hydrochar genindsendes til forkulning reaktion. Alternativt, i fremtidige reaktioner reaktionstid kan forlænges eller reaktionstemperatur kan øges (forsigtighed, autogene vandtrykket stiger eksponentielt med temperatur).
Resultatet af den termiske behandling afhænger også af sammensætningen af råmaterialet. For eksempel, hvis biomassen involverer andre organiske komponenter såsom vegetabilsk olie, vil den termiske behandling adskille disse flygtige forbindelser fra det faste og massetabet vil være større.
I denne protokol udføres begge trin i batchtilstand. Til industriel anvendelse skal hele produktionsprocessen udføres i kontinuerlig drift. Hydrotermisk karbonisering er allerede udført som en kontinuerlig proces26,27, men den termiske behandling skal stadig udvikles yderligere. Det endelige mål er at omdanne OFMSW til et Kulholdig materiale med tørv egenskaber, således at der anvendes tørv (betragtes som et fossilt materiale) stigninger i landbrug og gartneri med klare fordele for miljøet og som en bidragyder til klima ændring af afhjælpning.
Disclosures
Marisa Hernandez og Borja Oliver-Tomas er medarbejdere i Ingelia SL, der producerede hydrochar prøver, der anvendes i denne artikel. Maria Consuelo Hernández-Soto, Estefanía Ponce og Michael Renz har intet at afsløre.
Acknowledgments
Forfatterne er taknemmelige for den finansielle støtte, der er modtaget fra Europa-Kommissionen under charmen og Advcharmen fra klima-VIF-programmet og fra det spanske ministerium for videnskab, innovation og universiteter under RTC-2017-6087-5 i "Investigación, Desarrollo e Innovacion Orientada et Los Retos de la sociedad program og under Severo Ochoa-programmet (SEV-2016-0683).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Autoclave with a vessel volume of 100 to 500 mL | |||
| Continuous flow tubular calcination reactor with glass frit | Cuartz tube: 37 cm long, 20 mm outer diameter, glass frit (3 mm thickness) at 22 cm from the top of the tube | ||
| Vacuum filtration system | Buchner funnel, filter paper, filter flask | ||
| Oven for drying samples at 100 °C | |||
| Thermogravimetric analyzer | E.g. Netzsch STA 449F3 Jupiter with Netzsch STA 449F3 software and Netzsch ASC Manager software for autosampler control | ||
| Any king of vegetable biomass (for examples see tables 1 and 2) including: | |||
| Compostable plastic bags from BASF | |||
| Plastic bags for collection of the organic fraction in households, provided by local waste managers | |||
| Compostable coffee capsules ecovio (BASF) |
References
- Titirici, M. M., Thomas, A., Yu, S. H., Mueller, J. O., Antonietti, M. A. Direct Synthesis of Mesoporous Carbons with Bicontinuous Pore Morphology from Crude Plant Material by Hydrothermal Carbonization. Chemistry of Materials. 19 (17), 4205-4212 (2007).
- Düdder, H., Wütscher, A., Stoll, R., Muhler, M. Synthesis and characterization of lignite-like fuels obtained by hydrothermal carbonization of cellulose. Fuel. 171, 54-58 (2016).
- Funke, A., Ziegler, F. Hydrothermal carbonization of biomass: a summary and discussion of chemical mechanisms for process engineering. Biofuels, Bioproducts and Biorefining. 4 (2), 160-177 (2010).
- Titirici, M. M., Thomas, A., Antonietti, M. Back in the black: Hydrothermal carbonization of plant material as an efficient chemical process to treat the CO2 problem? New Journal of Chemistry. 31 (6), 787-789 (2007).
- Gruda, N. Current and future perspective of growing media in Europe. Acta Horticulturae. 960, 37-43 (2012).
- Benavente, V., Calabuig, E., Fullana, A. Upgrading of moist agro-industrial wastes by hydrothermal carbonization. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 113, 89-98 (2015).
- Volpe, M., et al. One stage olive mill waste streams valorisation via hydrothermal carbonisation. Waste Management. 80, 224-234 (2018).
- Sabio, E., Álvarez-Murillo, A., Román, S., Ledesma, B. Conversion of tomato-peel waste into solid fuel by hydrothermal carbonization: Influence of the processing variables. Waste Management. 47, 122-132 (2016).
- Lucian, M., et al. Impact of hydrothermal carbonization conditions on the formation of hydrochars and secondary chars from the organic fraction of municipal solid waste. Fuel. 233, 257-268 (2018).
- Mäkelä, M., Forsberg, J., Söderberg, C., Larsson, S. H., Dahl, O. Process water properties from hydrothermal carbonization of chemical sludge from a pulp and board mill. Bioresource Technology. 263, 654-659 (2018).
- Ulbrich, M., Preßl, D., Fendt, S., Gaderer, M., Spliethoff, H. Impact of HTC reaction conditions on the hydrochar properties and CO2 gasification properties of spent grains. Fuel Processing Technology. 167, 663-669 (2017).
- Hu, B., et al. Engineering carbon materials from the hydrothermal carbonization process of biomass. Advanced Materials. 22 (7), 813-828 (2010).
- Sevilla, M., Fuertes, A. B., Rezan, D. C., Titirici, M. M. Applications of Hydrothermal Carbon in Modern Nanotechnology. Sustainable Carbon Materials from Hydrothermal Processes. , 213-294 (2013).
- Sánchez, A., et al. Greenhouse gas emissions from organic waste composting. Environmental Chemistry Letters. 13 (3), 223-238 (2015).
- Andersen, J. K., Boldrin, A., Christensen, T. H., Scheutz, C. Greenhouse gas emissions from home composting of organic household waste. Waste Management. 30 (12), 2475-2482 (2010).
- Owsianiak, M., Brooks, J., Renz, M., Laurent, A. Evaluating climate change mitigation potential of hydrochars: compounding insights from three different indicators. GCB Bioenergy. 10, 230-245 (2018).
- Lorenz, K., Lal, R. Biochar application to soil for climate change mitigation by soil organic carbon sequestration. Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 177 (5), 651-670 (2014).
- Solomon, D., et al. Indigenous African soil enrichment as a climate-smart sustainable agriculture alternative. Frontiers in Ecology and the Environment. 14 (2), 71-76 (2016).
- Glaser, B., Haumaier, L., Guggenberger, G., Zech, W. The “Terra Preta” phenomenon: a model for sustainable agriculture in the humid tropics. Naturwissenschaften. 88 (1), 37-41 (2001).
- Fornes, F., Belda, R. M. Acidification with nitric acid improves chemical characteristics and reduces phytotoxicity of alkaline chars. Journal of Environmental Management. 191, 237-243 (2017).
- Fornes, F., Belda, R. M., Fernández de Córdova, P., Cebolla-Cornejo, J. Assessment of biochar and hydrochar as minor to major constituents of growing media for containerized tomato production. Journal of the Science of Food and Agriculture. 97 (11), 3675-3684 (2017).
- Busch, D., Kammann, C., Grünhage, L., Müller, C. Simple biotoxicity tests for evaluation of carbonaceous soil additives: Establishment and reproducibility of four test procedures. Journal of Environmental Quality. 41 (4), 1023-1032 (2012).
- Dalias, P., Prasad, M., Mumme, J., Kern, J., Stylianou, M., Christou, A. Low-cost post-treatments improve the efficacy of hydrochar as peat replacement in growing media. Journal of Environmental Chemical Engineering. 6 (5), 6647 (2018).
- Busch, D., Stark, A., Kammann, C. I., Glaser, B. Genotoxic and phytotoxic risk assessment of fresh and treated hydrochar from hydrothermal carbonization compared to biochar from pyrolysis. Ecotoxicology and Environmental Safety. 97, 59 (2013).
- Hitzl, M., Mendez, A., Owsianiak, M., Renz, M. Making hydrochar suitable for agricultural soil: A thermal treatment to remove organic phytotoxic compounds. Journal of Environmental Chemical Engineering. 6 (6), 7029-7034 (2018).
- Hitzl, M., Corma, A., Pomares, F., Renz, M. The hydrothermal carbonization (HTC) plant as a decentral biorefinery for wet biomass. Catalysis Today. 257 (P2), 154-159 (2015).
- Burguete, P., et al. Fuel and chemicals from wet lignocellulosic biomass waste streams by hydrothermal carbonization. Green Chemistry. 18 (4), 1051-1060 (2016).
- Zucconi, F., Monaco, A., Forte, M., De Bertoldi, M. Phytotoxins during the stabilization of organic matter. Composting of Agricultural and Other Wastes. , (1985).
