Summary
פרוטוקול של הידרותרמי בזבוז מזון ירקות בחיטוי מוצג, עם טיפול תרמי יבש בעקבות 275 ° c בכור זרימה רציפה desorbing חומרים אורגניים נדיפים. המטרה היא לייצר חומר פחמן מתאים כמוצר תיקון אדמה או מרכיב מצע.
Abstract
הליך דו-שלבים מתואר לסינתזה של חומר פחמן עם קומפוזיציה דומה ותכונות כבול. הידרוchar המיוצר נעשה מתאים ליישומים חקלאיים על ידי הסרת הצמח הצומח חומרים מעכבות. פסולת ביתית רטובה כגון קליפת פירות, בית קפה, חלקי ירקות לא אכילים, או חומר רטוב ליגנותאית בכלל, מטופלים בנוכחות מים ב-215 ° c ו -21 בר בחיטוי, כלומר, על ידי הידרותרמית. כל השאריות הללו יש תוכן מים ניכר של עד 90 משקל% (wt%). הוספת מים מרחיבה את ההליך לחומרים יבשים כגון משוגעים או אפילו מזמרה גינה ופולימרים compostable, כלומר, שקית ניילון לאיסוף השאריות.
בדרך כלל, חומר הפחמן שנוצר, הנקרא הידרוchar, מייצרת השפעה שלילית על גידול הצמח כאשר הוסיף לקרקע. זה אמור כי השפעה זו נגרמת על ידי השפעת תרכובות רעילות. לאחר טיפול פשוט תחת אווירה אינרטי (העדר חמצן) ב 275 ° c מסיר את החומרים האלה. לכן, ההידרוchar raw מונחת על זכוכית frit של כור אנכי צינורי קוורץ. זרימת גז חנקן מוחל בכיוון הזרימה למטה. הצינור מחומם לטמפרטורה הרצויה באמצעות מעטפת חימום עד שעה אחת.
הצלחת הטיפול התרמי מתבצעת בקלות על-ידי התרמוגרבימטריה (TG), הנעשית באוויר. ירידה במשקל נקבע כאשר הטמפרטורה של 275 ° c הוא הגיע, מאז התוכן הנדיף הוא desorbed. הכמות שלו מופחתת בחומר הסופי, בהשוואה הידרוchar מטופל.
הטיפול שני השלבים ממיר שאריות ביתיים, כולל compostable שקיות מועסקים עבור האוסף שלהם, לתוך חומר פחמן שעשוי לשמש מקדם צמיחה צמח, באותו זמן, כמו כיור פחמן עבור הפחתת שינוי האקלים.
Introduction
הידרותרמית (HTC) היא טכנולוגיה המתעוררים לניהול פסולת של רטוב, משאבים ליגונתאית. הטכנולוגיה הזאת התגלתה על ידי אנטונטי וTitirici והוחלה על מחטי אורן, אצטרובלים, עלי אלון וקליפות תפוז1. ובכך, ביומסה מומר הידרוchar, פחמן מוצק הדומה ליגניט2,3 או כבול4,5. מאז, רבים מזון מזון שיורית יש כבר מעובד כמו אגרו-תעשייתי פסולת6,7,8, החלק האורגני של פסולת מוצקה עירונית (ofmsw)9, או נייר טחנת בוצה10. הטכנולוגיה משמשת גם כטיפול ביומסה טרום פירוליזה ו-גיזוז11. בנוסף, ההליך מספק חומרים ננוטכנולוגיה מודרנית ממקורות מתחדשים הומוגנית כגון סוכרים או תאית. לחומרים מתקדמים אלה יש פוטנציאל ליישומים עתידיים כאלקטרודות לסוללות נטענות, לתאי דלק או לקיבלטורים, אחסון גז, חיישנים או משלוח סמים12,13.
הידרוchar הוא חומר פחמן וככזה זה יכול לשמש דלק מוצק מתחדשת, במיוחד כאשר מופק מתוך ערך נמוך, הטרוגנית משאבים עם משתנה (עונתית או אזורית) הרכב. עם זאת, ייצור הידרוchar ויישומו לקרקע, במקום הבעירה המיידית שלה, תהיה תרומה משולשת להפחתת שינויי האקלים. ראשון, בחירת HTC כמו הטכנולוגיה לניהול פסולת נמנעת פליטה של גז החממה חזק מתאן במהלך התפרקות או בלתי נשלטת14,15. שנית, הימנעות הבעירה של הידרוchar לאחר תקופה קצרה של זמן והחלת אותו על הקרקע, מסיר את דו תחמוצת הפחמן מהאווירה לתקופה ארוכה יותר של זמן, כלומר, היא מורכבת לכידת פחמן אמיתי ואחסון (סמ ק)16,17. שלישית, באופן כללי, קרקעות מתוקן char הן קרקעות פוריות יותר (קרקעות שחורות) וצמיחה צמח גדל. מיכל בן 18 , 19 זה מפחית את השימוש בדשן פליטת פחמן דו חמצני הקשורים הייצור שלהם, מלבד שמירה על משאבים. יתר על כן, צמיחה צמח נוסף מסיר יותר פחמן דו חמצני מהאווירה.
למרות שזה די ברור שיש הרבה טיעונים גלויים ליישום של הידרוchar לקרקע, החומר כולל אי נוחות: הידרוchar raw אינו מתנהג בדיוק כמו biochar המיוצר על ידי פירוליזה. הידרוchar לא ברור להגדיל את הצמיחה הצמח או אפילו גרוע יותר, לעתים קרובות זה גורם להשפעה שלילית למדי20,21,22. לכן, לא מעודדים חקלאים ליישם אותה, ואפילו פחות לשלם עבורו כסף. למרבה המזל, החיסרון הזה יכול להיות מוחלט או מסולק. הגישה הקלה ביותר היא פשוט לחכות למחזור הטיפוח השני22. גם שטיפה20,21,22,23 או co-קומעוקץ24 הם טיפולים מוצלחים למטרה זו. עם זאת, כל ההליכים הללו דורשים זמן או לייצר זרם מים מימית הזקוקים לטיפול נוסף.
לאחרונה, זה הוכח כי הידרוchar raw יכול להיות נתון לטיפול תרמי רך לאחר25. מטרת ההליך הזה היא פשוט desorb חומרים נדיפים ומזיקים לא רצויים. הזרימה מרוכזת וכתוצאה של חומר אורגני בעיקר יכול להיות מוחרקת באתרו. ככזה, מאזן האנרגיה של הצמח HTC משופר וכל סיכון סביבתי של זרם הצד נמנעת. בדיקות נביטה מראות כי הטיפול מוצלח כאשר מבוצע בטמפרטורות של 275 ° c או גבוה יותר.
הפרוטוקול הנוכחי (ראה איור 1) כולל שני צעדי תגובה ושיטה אנליטית אחת פשוטה להערכת תוצאת התגובה. במהלך הצעד הראשון, ביומסה מומר הידרוchar raw ב החיטוי ב 215 ° c ו-21 בר לחץ. כאן, שאריות משק הבית מועסקים כחומר התחלתי. אלה כוללים כל מיני חומרים צמחיים כגון קליפות פירות, אבני פרי, חלקי ירקות לא אכילים, בית קפה, נייר מטבח, שקיות פלסטיק compostable, וכו '. חומר הקרבונאאוס נאסף על ידי סינון וייבוש. בשלב השני, היא מונחת על זכוכית frit של כור אנכי צינורי החלת זרימת הגז בכיוון זרימה כלפי מטה. הצינור מחומם ל 275 ° c עבור 1 h. המוצק המתקבל מנותח על ידי התרמוגרמטריה (TG) באוויר. אובדן החומר עד 275 ° c הוא ככמת ולעומת אובדן שנצפו עם הידרוchar מטופל. חומר הפחמן ניתן לאפיין נוסף על ידי ניתוח היסודות (C, H, N, S), תוכן אפר הרכב אפר (בעיקר Ca, אל, Si, ו P).
Protocol
1. הידרותרמית של שאריות משק הבית
- חישוב הכמויות המתאימות של מים וביומסה לתערובת התגובה.
- תערובת התגובה חייב למלא חצי נפח של החיטוי. להניח כי צפיפות התערובת היא כ 1 g/mL ולחשב את הסכומים לפי משקל. כ 80 wt צריך להיות מים ואת החומר המלא. תוכן המים הכולל אינו קריטי והוא עשוי לנוע בין 70 ל 85 wt%.
- בחר את היומסה משאריות המטבח כגון קליפות פירות או חלקי ירקות לא אכילים. במטרה לחשב איזון מסה מדויק עבור סעיף 1, יבש מדגם של ביומסה ב 100-105 ° c בתנור עבור 2 h או בן לילה. המסה המתקבלת הוא העניין המלא של ביומסה. לחלופין, השתמש בנתוני ספרות (רמת הדיוק מופחתת).
- לחשב כמה ביומסה רטוב נדרש לחייב את החיטוי עם 20 wt% של חומר מוצק וכמה הרבה מים הוא להיות הציג יחד עם זה. לחשב כמה מים נדרש כדי להגיע לסכום הרצוי של המים בכור.
- . מטעין את החיטוי
התראה: החיטוי יש לספק עם דיסק קרע עם לחץ פרץ של 50 bar.- שוקלים ביומסה ומים כמחושב בשלב 1.1.3 ולהציג את שניהם לתוך החיטוי.
- סגור את החיטוי והלחץ אותו עם חנקן עד 20 בר. ודא כי אין אובדן הלחץ מעל 30 דקות. פעולה זו מבטיחה שכלי הקיבול ייסגר כהלכה ללא דליפות. . שחררו את הלחץ וסגרו שוב את הכלי
- . תגובת קרנון
- . הפעל את הערבוב מחממים את האוטוקלב עד 215 ° c בתוך 30 דקות ושומרים על טמפרטורה של לפחות 4 או לילה.
- . הפעילו את הלחץ בשביל ה -2 שעות הראשונות באופן כללי, הוא עוקב אחר עקומת לחץ האדים של מים עד 21 בר. אם הלחץ אינו מתגבר, החימום אינו פועל כראוי, או שכלי הקיבול אינו סגור כראוי. אם זה קורה, לעצור את התגובה ולבדוק את החימום והאיטום.
- במקרים נדירים, למשל, אם ביומסה נוטה decarboxylation, הלחץ המרבי עשוי להיות 5 עד 10 בר גבוה יותר מאשר 21 בר הנגרמת על ידי לחץ אדים ב 215 ° c. אם הלחץ עולה על 35 בר, לכבות את החימום ולקטוע את התגובה. לאחר שהוא התקרר למטה לטמפרטורת החדר לשחרר בזהירות את הלחץ הנותר ולהתחיל שוב משלב 1.3.1.
- התאוששות של הידרוchar raw.
- כאשר החיטוי התקרר למטה לטמפרטורת החדר על ידי קירור טבעי, לשחרר בזהירות כל לחץ שרידי ולפתוח את החיטוי.
- הפרד מוצק ונוזלי באמצעות סינון ואקום עם משפך של בוכנר. היפטר משלב הנוזלים כפתרון מימית בין פסולת מעבדה מסוכנת.
- מייבשים את המוצק ב-100 עד 105 ° c בתנור ב -2 או ללילה. לחשב את האיזון ההמוני של השלב הראשון, כלומר ההידרותרמית-הקרבון (סעיף 1). בשביל זה, לקחת בחשבון משקל יבש של ביומסה ומשקל יבש של המוצר.
2. טיפול תרמי של הידרוchar raw במצב אצווה
- שוקל 1 גרם של הידרוchar raw יבש ומניחים אותו על זכוכית frit של כור קוורץ צינורי (הכור אצווה).
- עבור כמויות גדולות יותר כגון 10 כדי 20 g, להשתמש בחומר משטח עם גודל החלקיקים של 0.2 כדי 6 מ"מ. אחרת, התרחשות של ערוצים מועדפים עלולה לעכב טיפול הומוגנית של המדגם.
- מניחים את מעטפת החימום של הכור ומחברים זרם חנקן למטה של 20 מ"ל/min. מניחים מיכל קטן מתחת לשקע הכור כדי לאסוף נוזלים מעובה. אין צורך בצינון.
- משנף גזים בשקע ומבצעים אותם לפליטה או מניחים את כל הכור במכסה הפליטה. מחממים את הכור עד 275 ° c עם כבש של 10 מעלות/מינימום.. שמרו על הטמפרטורה במשך 1 שעות
- כאשר מקורר שוב לטמפרטורת החדר, נתק את זרימת הגז. השמט את הנוזל שנאסף בגביע לשקעים אורגניים שאינם הלוגליים. לשחזר את החומר פחמן ולשקול אותו. לחשב את האיזון ההמוני עבור סעיף 2, כלומר הטיפול התרמי, מן ההמונים מועסקים ומתקבלים, ועל התגובה הכוללת מן המסה המתקבלים בטיפול תרמי ביומסה יבש המועסקים בשלב הקרנון.
3. ניתוח המוצר הסופי באמצעות התרמוגרמטריה (TG)
- לרסק את המוצר בחומר מליטה ולשקול מדגם 10 מ"ג בכור המצרף של המנגנון.
- הניחו את הכור בדגם האוטומטי של המנגנון הTG ובחרו בתנאי הניתוח: התאימו את הטמפרטורה המקסימלית ל-600 ° צ' והאוויר העובד כגז מטאטא ומכבש טמפרטורה של 10 מעלות/דקה.
- . התחל בניתוח
- מכמת את ההפסד ההמוני ב-275 ° c בעקומת TG על ידי חישוב ההפרש בין המשקל הראשוני והנצפה בטמפרטורה זו (ראה איור 2). בטא את אובדן המסה. כאחוז מהמשקל הראשוני השוואת הערכים של דגימות מטופלות ובדיקות raw. הפחתה ברורה היא נצפתה.
Representative Results
הפרוטוקול הנוכחי מספק הידרוchar מתאים ליישומים חקלאיים בשני שלבים (איור 1): הידרותרמית, אשר מלווה לאחר טיפול תרמי. בתגובת הקרנון, ביומסה רטוב ליגנותאית משתנה לחומר קרבונאאוס. הצלחת התגובה ניתן לקבוע על ידי בדיקה חזותית פשוטה: המדגם המוצק יש להיות חום, ואת הצבע החום כהה יותר, את תגובת הקרנון יותר מתקדם. תואר הקרנון תלוי בחומרת התגובה, שיכולה להיות מושפעת מזמן התגובה; זמן תגובה ארוך יותר, למשל למשך הלילה, מבטיח תוצאה מיטבית של תגובה. תואר קרנון גבוה תמיד קשור לתשואה המונית נמוכה יותר.
הלחץ במהלך התגובה צריך להגדיל לפחות 21 בר, שהוא לחץ הקיטור אוטוגני ב 215 ° c. עם זאת, באופן כללי הלחץ גובר מעבר לערך זה כפי שמוצג בטבלה 1. לחץ התגובה הוא בלתי צפוי איכשהו תלוי בסוג של ביומסה מצבו של השפלה. סביר להניח כי היווצרות גזים קבועים, כגון פחמן דו חמצני אחראי על העלייה בלחץ ואת התוספת הלחץ במהלך התגובה (ביחס ללחץ קיטור של 21 בר) נשאר לאחר לצנן את האוטוקלב (שולחן 1 ; פחתה בהתאמה לטמפרטורה נמוכה יותר). לחץ מוגבר עשוי להיות השפעה שלילית על התשואה ההמוני של מוצק (חומר הגלם מומר גז פחמן דו חמצני), אבל מלבד זה, זה לא מזיק למטרה הכוללת. מגבלה ברורה של עליית הלחץ היא מגבלת הבטיחות של מנגנון התגובה, למשל, הלחץ פרץ של דיסק הקרע. דליפות קטנות יכול להיות הסיבה כי הלחץ 21-bar לא הגיע. עם זאת, הלחץ צריך להגיע לפחות 15 בר.
התשואה ההמונית של הקרנון כרוכה בטווח רחב בין 30 ל 90 wt%, בדרך כלל מ 50 ל 65 wt% (טבלה 1). התשואה ההמונית גבוהה בדרך כלל לחומר מחוזק עם תוכן ליגנין גבוה יותר ונמוך יותר עבור פולימרים של סוכר טהור (פוליאכלנים) כגון עמילן. למשל, תשואות נמוכות נצפו עבור עלים או compostable תיקים. בנוסף, חומרת התגובה משפיעה על התשואה ההמונית. כפי שהוזכר כבר, פעמים תגובה ממושכת להפחית את התשואה ההמוני בהשוואה לתשואות המתקבלות על ידי תגובות קצרות.
במידת הצורך, ניתן לאפיין את ההידרוchar הגולמי באמצעות ניתוח היסודות26,27. ובכך, תכולת הפחמן מעידה על תואר הקרנון. ליגנותאית ביומסה יש תוכן פחמן (על בסיס יבש ללא אפר [דאף]) של 45 wt%. ערך זה ניתן להגדיל ל 60 או 65 wt% על ידי HTC. ערכים מעל 65 wt% מצביעים על הקרנון מתקדם כבר במונחים של HTC. לקבלת נתונים לדוגמה, ראה טבלה 2.
ביומסה הלינותאית יכול להיות מועסק כ "דגימות טהורות" לקרנון הידרותרמי כפי שמתואר בפרוטוקול הנוכחי. זה יכול להיות עניין מיוחד לחקר ההתנהגות של סוג מסוים של ביומסה. עם זאת, בפועל, תערובות של סוגי ביומסה מעובדים. לכן, בפרוטוקול הנוכחי מדגם של הידרוchar מצמח טייס תעשייתי הועסק. המאפיינים של הידרוchar זה מסוכמים בטבלה 3.
הטיפול התרמי, השלב השני של פרוטוקול זה, נעשה בטמפרטורות שונות, בטווח של 200 עד 300 ° c, 275 ° c להיות הטמפרטורה הנחוצה והמספיק25. מטבלה 4 ניתן לראות כי התשואה ההמונית יורדת ברציפות כאשר הטמפרטורה מועלה מ 200 עד 250 ° צ', 275 ° c ו 300 ° c, ו מ כמעט 90 wt% כדי 73 wt%, 74 wt% ו 60 wt%, בהתאמה. עם זאת, בשל הטרוגניות של ביומסה, ותרומות אפשריות אחרות מתוך תערובת שאריות המטבח, ערך זה אינו ניתן לשינוי מלא ועשוי להשתנות בטווח מ 70 wt% כדי 80 wt% לטיפול ב 275 ° c.
בגביע הממוקם מתחת לשקע הכור נוזל חום נאסף, אשר מפריד לשני שלבים על העומד: שלב צהוב נמוך מימית ושלב אורגני העליון חום כהה. התשואה עבור הנוזל משתנה מ 8 wt% עד 30 wt% עבור הטמפרטורה נע בין 200 ל 300 ° c, ו ממוצעים סביב 20wt% לטיפול ב 275 ° צ' (שולחן 4).
ניתן לראות כי האיזון ההמוני של הטיפול התרמי אינו מגיע 100 wt%, אך מסכמת עד 90 ל 95 wt%. אולי היווצרות של 5 כדי 10 wt% של פחמן דו חמצני, המיוצר על ידי decarboxylation, היא הסיבה לפער. בנוסף, תרכובות נדיפות כגון מים לא מרוכז לחלוטין עם הגדרת התגובה.
ניתן לנתח את המוצר הסופי על מנת לקבל את הרעילות שלו על ידי מבחן הנביטה של הגקוני28. בקצרה, הזרעים חשופים לתמציות מימית וההשפעה על צמיחת השורש היא בכמת (לאחר מספר ימים או שבועות). להלן, ניתוח פשוט וסטנדרטי מועסק להערכה מהירה של תוצאת התגובה, כלומר ניתוח של התרמוגרבימטריה (TG). בזאת, מדגם קטן נחשף לזרימת אוויר בטמפרטורה הולכת וגוברת (לדוגמה, עד 600 ° c) והפחתת המשקל מפוקחת.
תרשים TG טיפוסי עבור דגימות הידרוchar שונות מוצגים באיור 2. אובדן המסה להידרוchar הגולמי מתחיל ב-200 ° c ומגיע כמעט 50% ב-300 ° c. עבור המדגם שטופל ב-200 ° c במהלך שלב 2, ההפסד ההמוני מתחיל שוב ב-200 ° c, אבל ב-300 ° c 70% נשאר. הדגימות שטופלו בטמפרטורה גבוהה יותר במהלך שלב 2 מתחילות לאבד את המסה במהלך ניתוח TG בטמפרטורה גבוהה יותר וכ-90% נותרו ב-300 ° c. מכאן, ניתן לראות כי אובדן הוולאטילס בין 200 ו 300 ° צ' מופחת בעת השוואת אחד עבור דגימות מטופלים עם הידרוchar raw. חיסול חומר נדיף זה היה המטרה של הטיפול התרמי ואת השיטה האנליטית מאשרת את זה הצלחה ללא משמעית28.
עבור הכמת, ההפסד ההמוני ב-275 ° צ' עשוי להיקבע באמצעות גרף TG (איור 2). באיור 3, הבר כולו מציג את אובדן המוני למדגם הידרוchar מטופל (34.6 wt%). לאחר הטיפול ב 200 ° c, הפסד המוני היה 17.1 wt% של מסה מוחלטת תחת התנאים האנליטיים שנקבעו. זה מתאים להפחתת התוכן הנדיף של 17.5 אחוז נקודות ביחס הידרוchar raw. לאחר טיפולים ב 250, 275 ו 300 ° c, אובדן המסה המקביל היה 6.01, 5.17, ו 4.22 wt% של מסה כוללת, בהתאמה. ניתן להסיק כי הטיפול ב 200 מעלות צלזיוס הוסר 50 wt האלה, והאחד ב-250 ° c הוסר יותר מ 80 wt%. עליית טמפרטורות נוספת המושרה רק שינויים קטנים.
איור 1: תיאור סכמטי של הפרוטוקול.
ליגנותאית שאריות ביומסה המיוצר על ידי משקי הבית מומרים על ידי הידרותרמית ההידרולינון (HTC) לתוך הידרוchar raw אשר נשלח לתהליך הגמר המורכב לאחר טיפול תרמי ב 275 ° c בהעדר מים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: ניתוח תרמוגרבימטרי של דגימות הידרוchar.
העיקולים להראות את הרזיה כאשר הידרוchar raw ודגימות שטופלו בטמפרטורות שונות נחשפו לאוויר בטמפרטורה הגוברת. הערכים שנצפו ב-275 ° c שימשו להשוואת היעילות של הטיפולים באיור 3. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: ירידה במשקל עד 275 ° צ' במהלך ניתוח הידרוchar על ידי תרמוגרמטריה.
הידרוchar גולמיים ודגימות שטופלו בטמפרטורות שונות נותחו על ידי התרמוגרמטריה (TG). הבר כולו מקביל לכמות שחוסלה בהידרוchar ללא טיפול עד 275 ° c במהלך ניתוח TG (ראה איור 2). כמות זו יכולה להיות מופחתת על ידי טיפולים תרמיים של דגימות hydrochar: על ידי כ 50 wt%, כלומר על ידי 17.5 אחוזים נקודות, על ידי הטיפול ב 200 ° צ' (צבע כחול); עוד 11.1 אחוז נקודות על ידי הטיפול ב 250 ° צ' (צבע אדום); טמפרטורה נוספת להגדיל את טמפרטורת הטיפול רק להראות השפעות מינימליות, כלומר 0.84 ו 0.95 אחוז נקודות עבור הטיפולים ב 275 ° צ' (אפור) ו 300 ° צ' (כתום), בהתאמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
| דוגמה | לחות | מים נוספים | מים מוחלטים | לחץ (חם/קר) | תשואה מוצקה (יבשה) | תשואה מוצקה (יבשה) | |
| חומר גלם | g | . אני מבין | g | . אני מבין | בר | g | . אני מבין |
| שאריות פירות | |||||||
| קליפות פיסטוק | 5.00 | 8.0 | 10.1 | 69.5 | 22/0 | 2.28 | 49 |
| אבני זית | 5.10 | 9.0 | 10.1 | 69.5 | 31/9 | 2.55 | 55 |
| גרעין משמש | 8.74 | 11.5 | 3.33 | 35.9 | 26/13 | 2.56 | 33 |
| אבני שזיף | 4.95 | 33.6 | 10.2 | 78.3 | 28/9 | 2.11 | 64 |
| אבני דובדבן | 7.61 | 45.8 | 4.03 | 64.6 | 30/10 | 2.62 | 64 |
| אבני ניספרו | 10.7 | 53.0 | 2.41 | 61.6 | 40/14 | 2.57 | 51 |
| אבני נקטרינה | 9.65 | 48.6 | 5.44 | 67.1 | 27/10 | 3.30 | 67 |
| עור בננה | 15.2 | 89.0 | 2.27 | 90.4 | 25/9 | 0.93 | 56 |
| עור של מלון | 16.1 | 87.4 | 2.32 | 89.0 | 24/8 | 0.64 | 32 |
| ליבת אננס | 15.5 | 86.1 | 2.15 | 87.8 | 26/9 | 1.30 | 60 |
| שאריות ירקות, צמחים וחומר עשבוני | |||||||
| עלי דקל | 12.6 | 55.1 | 2.17 | 61.7 | 42/17 | 4.95 | 87 |
| דקל | 15.0 | 78.5 | 2.11 | 81.2 | 23/4 | 1.47 | 45 |
| אננס עלים | 15.4 | 78.4 | 1.74 | 80.6 | 21/8 | 1.00 | 30 |
| בגינת קפה | 10.8 | 60.9 | 5.08 | 73.4 | 20/9 | 2.73 | 65 |
| עלים ארטיקה | 15.1 | 80.2 | 2.18 | 82.7 | 31/9 | 1.53 | 51 |
| עלי חסה | 15.3 | 91.3 | 1.77 | 92.2 | 20/5 | 0.39 | 29 |
| כפרות עלים | 15.0 | 72.7 | 2.80 | 77.0 | 29/11 | 1.54 | 38 |
| תרמילי שעועית | 15.1 | 82.6 | 2.30 | 84.9 | 31/4 | 1.43 | 55 |
| שקיות Compostable | |||||||
| תיק Compostable לשימוש יומיומי | 5.01 | 0 | 10.0 | 66.7 | 20/4 | 2.08 | 42 |
| תיק לקומפוסט | 2.50 | 0 | 5.00 | 66.7 | 16/3 | 0.92 | 37 |
| כמוסת קפה Compostable (עם גינת קפה) | 5.56 | 31.4 | 8.05 | 72.0 | 26/7 | 1.19 | 31 |
שולחן 1: נתונים ניסיוניים לקרטוניציות הידרותרמי.
כמויות של חומר מוצק ומים המשמשים לתגובות ותשואה של הידרוchar השיגה. ערך הלחץ מציין את הלחץ המקסימלי הנצפה כאשר מחומם ל 215 ° צ' (חם) ואחרי הקירור למטה החיטוי לטמפרטורת החדר (קר).
| ג (דאף) | H (דאף) | N (דאף) | S (דאף) | |
| חומר גלם | . אני מבין | . אני מבין | . אני מבין | . אני מבין |
| שאריות פירות | ||||
| קליפות פיסטוק | 68.0 | 4.66 | 0.34 | 0.00 |
| אבני זית | 70.0 | 5.97 | 0.81 | 0.00 |
| גרעין משמש | 68.6 | 6.16 | 2.21 | 0.00 |
| אבני שזיף | 69.8 | 6.44 | 1.48 | 0.01 |
| אבני דובדבן | 67.4 | 5.52 | 1.13 | 0.00 |
| אבני ניספרו | 67.1 | 5.47 | 1.90 | 0.03 |
| אבני נקטרינה | 68.8 | 5.39 | 0.88 | 0.04 |
| עור בננה | 71.7 | 6.41 | 2.91 | 0.06 |
| עור של מלון | 69.1 | 6.24 | 2.56 | 0.08 |
| ליבת אננס | 68.3 | 5.33 | 1.54 | 0.02 |
| שאריות ירקות, צמחים וחומר עשבוני | ||||
| עלי דקל | 63.7 | 6.47 | 2.65 | 0.20 |
| דקל | 63.2 | 6.09 | 2.02 | 0.03 |
| אננס עלים | 60.0 | 6.52 | 2.24 | 0.11 |
| בגינת קפה | 66.8 | 6.63 | 3.54 | 0.17 |
| עלים ארטיקה | 63.2 | 5.77 | 3.28 | 0.13 |
| עלי חסה | 57.8 | 6.09 | 3.48 | 0.18 |
| כפרות עלים | 63.9 | 5.82 | 3.79 | 0.55 |
| תרמילי שעועית | 68.0 | 6.17 | 4.18 | 0.14 |
| שקיות Compostable | ||||
| תיק Compostable לשימוש יומיומי | 56.8 | 5.15 | 0.09 | 0 |
| תיק לקומפוסט | 61.1 | 5.38 | 0.09 | 0 |
| כמוסת קפה Compostable (עם גינת קפה) | 60.5 | 5.57 | 2.56 | 0 |
שולחן 2: ניתוח אלמנטלים של דגימות הידרוchar.
| מאפיין | יחידה | ערך |
| תוכן אש (בסיס יבש; 815 ° c) | . אני מבין | 12.9 |
| וולאטילה (בסיס יבש; 900 ° c) | . אני מבין | 66.4 |
| פחמן קבוע (בסיס יבש) | . אני מבין | 20.8 |
| ג (דאף) | . אני מבין | 66.1 |
| H (דאף) | . אני מבין | 7.4 |
| N (דאף) | . אני מבין | 3.0 |
| S (דאף) | . אני מבין | 0.2 |
שולחן 3: ניתוח פרומיאני וניתוח היסודות של דגימת ההידרוchar המשמשת בטיפולים תרמיים28.
| תשואה | תשואה | |||||||||||||
| מסה ראשונית (הידרוchar) | טמפרטורה | מסה סופית (הידרוchar) | נוזל מסה | AF | של | איזון המוני | תשואה מוצקה | תשואה נוזלית | AF | של | ||||
| ערך | g | [מעלות צלזיוס] | g | g | g | g | [%] | . אני מבין | . אני מבין | . אני מבין | . אני מבין | |||
| 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 | |||
| מיכל 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 | |||
| מבוצע עם הידרוchar המיוצר ממזמרה הגינה במקום OFMSW. | ||||||||||||||
שולחן 4: נתונים ניסיוניים מתוך הטיפולים התרמיים.
לאחר התגובה, מוצק ונוזל הוא התאושש. הנוזל מופרד בעמידה אל מימית (AF) ושבריר אורגני (OF). הכמות החסרה מיוחסת למערך הגז הקבוע, למשל, פחמן דו חמצני ועיבוי לא שלם של חומר נדיף כגון מים.
Discussion
הקרבון ההידרותרמי היא שיטה מאוד גמישה ומספקת תמיד מוצר קרבונאכאאוס, כלומר ההידרוchar. עם זאת, תשואה ומאפיינים של ההידרוchar עשוי להשתנות, לא רק בשל תנאי התגובה או בקרת התגובה, אלא בשל הטרוגניות והווריאציה של ביומסה. לדוגמה, התשואה ההמונית ותוכן ה-C עשויים להיות גבוהים יותר עבור ביומסה ליגנותאית עם תוכן ליגנין גבוה יותר או חומרים מודי.
במקרה של מידת הקרנון גבוהה יותר (ככמת על-ידי ניתוח היסודות) רצוי, ניתן לשלוח את ההידרוchar לתגובת הקרנון. לחילופין, בעתיד תגובות התגובה יכול להיות ממושך או טמפרטורה התגובה ניתן להגדיל (זהירות, לחץ מים אוטוגניים מגביר אקספוננציאלית עם טמפרטורה).
תוצאת הטיפול התרמי תלויה גם בקומפוזיציה של חומר הגלם. למשל, אם ביומסה כרוך רכיבים אורגניים אחרים כגון שמן צמחי, הטיפול התרמי יהיה להפריד תרכובות נדיפות אלה מתוך אובדן מוצק והמוני יהיה גדול יותר.
בפרוטוקול הנוכחי, שני השלבים מתבצעים במצב אצווה. עבור יישום תעשייתי, כל תהליך הייצור צריך להתבצע במצב רציף. הקרבון ההידרותרמי כבר מבוצע כתהליך רציף26,27, אך הטיפול התרמי עדיין צריך להתפתח עוד. המטרה הסופית היא להמיר את OFMSW לתוך חומר קרבונאכאאוס עם מאפיינים כבול כך העסקת כבול (נחשב לחומר מאובנים) מגדילה בחקלאות וגננות עם יתרונות ברורים עבור הסביבה כתורם לאקלים שינוי הפחתת הסיכון.
Disclosures
מריסה הרננדז ו Borja אוליבר-תומאס הם עובדי Ingelia SL כי הפיק דגימות הידרוchar בשימוש במאמר זה. . ולמייקל רן אין מה לגלות
Acknowledgments
המחברים אסירי תודה על התמיכה הפיננסית שהתקבלה מהוועדה האירופית תחת הקסם והקסם של תוכנית האקלים-KIC ומהמשרד הספרדי למדע, חדשנות ואוניברסיטאות תחת RTC-2017-6087-5 של "החקירה", דסררולו-חדשנות מצפון לתוכנית "לוס ריטוס דה לה סודאדה" ובמסגרת התכנית הארוכה אוצ'ואה (צב-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).
