एक पीट विकल्प में कार्बनिक घरेलू leftovers के परिवर्तन

Chemistry
 

Summary

एक ऑटोक्लेव में वनस्पति खाद्य अपशिष्ट के हाइड्रोथर्मल कार्बनीकरण के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया जाता है, जिसमें बाद में शुष्क थर्मल उपचार 275 डिग्री सेल्सियस पर एक सतत प्रवाह रिएक्टर अस्थिर कार्बनिक पदार्थों को अस्थिर करता है। उद्देश्य मिट्टी संशोधन उत्पाद या सब्सट्रेट घटक के रूप में उपयुक्त एक कार्बन सामग्री का उत्पादन करने के लिए है।

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Hernández-Soto, M. C., Hernández-Latorre, M., Oliver-Tomas, B., Ponce, E., Renz, M. Transformation of Organic Household Leftovers into a Peat Substitute. J. Vis. Exp. (149), e59569, doi:10.3791/59569 (2019).

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Abstract

एक दो कदम प्रक्रिया एक समान संरचना और पीट के रूप में गुणों के साथ एक कार्बन सामग्री के संश्लेषण के लिए वर्णित है. उत्पादित हाइड्रोचर को पादप उत्पादक निरोधात्मक पदार्थों को हटाकर कृषि अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाया जाता है। फलों के छिलके, कॉफी के छिलके, अखाद्य वनस्पति भागों, या सामान्य रूप से गीला लिग्नोसेलुलोसिक सामग्री जैसे घरेलू अपशिष्ट का इलाज एक ऑटोक्लेव में 215 डिग्री सेल्सियस और 21 बार में पानी की उपस्थिति में किया जाता है, अर्थात हाइड्रोथर्मल कार्बनीकरण द्वारा। इन सभी बचे हुए लोगों में 90 वजन % (wt%) तक की काफी मात्रा है। पानी जोड़ने ऐसे संक्षेप या यहां तक कि उद्यान prunings और compostable पॉलिमर, यानी, बचे हुए के संग्रह के लिए प्लास्टिक बैग के रूप में सुखाने की सामग्री सुखाने की प्रक्रिया फैली हुई है।

आमतौर पर, जिसके परिणामस्वरूप कार्बन सामग्री, hydrochar कहा जाता है, जब मिट्टी में जोड़ा संयंत्र के विकास पर एक नकारात्मक प्रभाव पैदा करता है. यह माना जाता है कि इस प्रभाव adsorbed phytotoxic यौगिकों के कारण होता है. 275 डिग्री सेल्सियस पर निष्क्रिय वायुमंडल (ऑक्सीजन की अनुपस्थिति) के अंतर्गत एक साधारण पोस्ट-उपचार इन पदार्थों को हटा देता है। इसलिए, कच्चे hydrochar एक ऊर्ध्वाधर ट्यूबलर क्वार्ट्ज रिएक्टर के एक गिलास फ्रिट पर रखा गया है. एक नाइट्रोजन गैस प्रवाह नीचे प्रवाह दिशा में लागू किया जाता है. ट्यूब को एक घंटे तक हीटिंग मेंटल के माध्यम से वांछित तापमान पर गर्म किया जाता है।

थर्मल उपचार की सफलता आसानी से thermogravimetry (टीजी), हवा में बाहर किया द्वारा मात्रा निर्धारित है. एक वजन घटाने निर्धारित किया जाता है जब 275 डिग्री सेल्सियस का तापमान तक पहुँच जाता है, के बाद से अस्थिर सामग्री desorbed है. इसकी राशि अनुपचारित हाइड्रोचर की तुलना में अंतिम सामग्री में कम हो जाती है।

दो कदम उपचार घर के बचे हुए लोगों को धर्मान्तरित, उनके संग्रह के लिए नियोजित खाद बैग सहित, एक कार्बन सामग्री है कि संयंत्र विकास प्रमोटर के रूप में सेवा कर सकते हैं और, एक ही समय में, जलवायु परिवर्तन शमन के लिए एक कार्बन सिंक के रूप में.

Introduction

हाइड्रोथर्मल कार्बोनाइजेशन (एचटीसी) गीला, लिग्नोसेलूलोसिक संसाधनों के अपशिष्ट प्रबंधन के लिए एक उभरती हुई प्रौद्योगिकी है। इस तकनीक Antonietti और Titirici द्वारा rediscovered और पाइन सुइयों, पाइन शंकु, ओक के पत्ते और संतरे के छिलके1के लिए लागू किया गया था. इस प्रकार बायोमास हाइड्रोचर में परिवर्तित हो जाता है, जो कार्बनमय ठोस लिग्नाइट2,3 या पीट4,5के समान होता है। तब से, कई अवशिष्ट फीडस्टॉक्स ने कृषि-औद्योगिक अपशिष्ट6,7,8, नगरपालिका ठोस अपशिष्ट (ओएफएमएसडब्ल्यू)9या कागज मिल कीचड़10जैसे संसाधित किया है। इस प्रौद्योगिकी का उपयोग पाइरोलिसिस और गैसीकरण11के लिए बायोमास पूर्व उपचार के रूप में भी किया जाता है . इसके अलावा, प्रक्रिया ऐसे शर्करा या सेलूलोज़ के रूप में सजातीय अक्षय संसाधनों से आधुनिक नैनो प्रौद्योगिकी सामग्री प्रदान करता है. इन उन्नत सामग्री rechargeable बैटरी के लिए इलेक्ट्रोड के रूप में भविष्य के अनुप्रयोगों के लिए क्षमता है, ईंधन कोशिकाओं या supercapacitators, गैस भंडारण, सेंसर या दवा वितरण12,13.

hydrochar एक कार्बन सामग्री है और इस तरह के रूप में यह अक्षय ठोस ईंधन के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, खासकर जब कम मूल्य से उत्पादन किया, चर के साथ विषम संसाधनों (मौसम या क्षेत्रीय) संरचना. तथापि, जलचर उत्पादन और इसके तत्काल दहन के स्थान पर मिट्टी के लिए इसके अनुप्रयोग का जलवायु परिवर्तन न्यूनीकरण में तीन अंश योगदान होगा। सबसे पहले, अपशिष्ट प्रबंधन प्रौद्योगिकी के रूप में HTC का चयन खाद या अनियंत्रित अपघटन14,15के दौरान शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस मीथेन के उत्सर्जन से बचा जाता है. दूसरा, थोड़े समय के बाद हाइड्रोचर के दहन से बचने और इसे मिट्टी पर लगाने से, लंबे समय तक वायुमंडल से कार्बन डाइऑक्साइड को हटा देता है, अर्थात्, इसमें वास्तविक कार्बन कैप्चर एंड स्टोरेज (सीसीएस)16,17शामिल हैं। तीसरा, सामान्य तौर पर, चार संशोधित मिट्टी अधिक उपजाऊ मिट्टी (काली मिट्टी) हैं और पौधों की वृद्धि बढ़ जाती है। 18 , 19 इससे संसाधनों के संरक्षण के अलावा उर्वरक उपयोग और उनके उत्पादन से संबंधित कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन कम हो जाते हैं। इसके अलावा, अतिरिक्त संयंत्र विकास वातावरण से अधिक कार्बन डाइऑक्साइड को हटा.

हालांकि यह काफी स्पष्ट है कि वहाँ मिट्टी के लिए hydrochar के आवेदन के लिए कई स्पष्ट तर्क कर रहे हैं, सामग्री एक असुविधा शामिल है: कच्चे hydrochar बिल्कुल biochar कि pyrolysis द्वारा उत्पादित है के रूप में व्यवहार नहीं करता है. हाइड्रोचर स्पष्ट रूप से पौधों की वृद्धि या इससे भी बदतर वृद्धि नहीं करता है , अक्सर यह एक बल्कि नकारात्मक प्रभाव का कारण बनता है20,21,22. इसलिए, किसानों को इसे लागू करने के लिए प्रोत्साहित नहीं किया जाता है, और इसके लिए पैसे का भुगतान करने के लिए भी कम नहीं है। सौभाग्य से, इस कमी को कम या समाप्त किया जा सकता है। सबसे आसान तरीका यह है कि केवल दूसरे कृषि चक्र22की प्रतीक्षा की जाए . इसके अलावा धोने20,21,22,23 या सह composting24 इस उद्देश्य के लिए सफल उपचार कर रहे हैं. हालांकि, इन सभी प्रक्रियाओं समय की आवश्यकता होती है या एक जलीय धारा है कि आगे की देखभाल की जरूरत का उत्पादन.

हाल ही में, यह दिखाया गया है कि कच्चे hydrochar एक नरम थर्मल पोस्ट उपचार25के अधीन किया जा सकता है. इस प्रक्रिया का उद्देश्य बस अवांछित अस्थिर और हानिकारक पदार्थों को अस्थिर करना है। मुख्य रूप से कार्बनिक पदार्थ के परिणामस्वरूप संकेंद्रित प्रवाह को सिटू में थर्मल रूप से वलयित किया जा सकता है। जैसे, HTC संयंत्र की ऊर्जा संतुलन में सुधार हुआ है और पक्ष धारा के किसी भी पर्यावरण जोखिम को रोका है. अंकुरण परीक्षण बताते हैं कि उपचार सफल होता है जब 275 डिग्री सेल्सियस या अधिक के तापमान पर किया जाता है।

वर्तमान प्रोटोकॉल (चित्र 1देखें) में अभिक्रिया परिणाम के मूल्यांकन के लिए दो अभिक्रिया चरण तथा एक सरल विश्लेषणात्मक विधि शामिल है। पहले चरण के दौरान बायोमास को 215 डिग्री सेल्सियस और 21-बार दाब पर एक ऑटोक्लेव में कच्चे हाइड्रोचर में परिवर्तित कर दिया जाता है। यहाँ, घरेलू बचे हुए सामान शुरू सामग्री के रूप में कार्यरत हैं. इनमें सभी प्रकार की सब्जी सामग्री जैसे फलों के छिलके, फल पत्थर, अखाद्य वनस्पति भाग, कॉफी ग्राउंड, किचन पेपर, कंपोस्टेबल प्लास्टिक बैग आदि शामिल हैं। कार्बोनेशस सामग्री निस्पंदन द्वारा एकत्र की जाती है और सूख जाती है। दूसरे चरण के लिए, यह एक ऊर्ध्वाधर ट्यूबलर रिएक्टर के एक गिलास फ्रिट पर रखा गया है जो नीचे की ओर प्रवाह दिशा में गैस प्रवाह को लागू करता है। ट्यूब को 1 ज के लिए 275 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया जाता है। जिसके परिणामस्वरूप ठोस हवा में thermogravimetry (TG) द्वारा विश्लेषण किया जाता है. 275 डिग्री सेल्सियस तक की भौतिक हानि मात्रा निर्धारित की जाती है और अनुपचारित हाइड्रोचर के साथ देखे गए नुकसान की तुलना में। कार्बन सामग्री आगे मौलिक विश्लेषण (सी, एच, एन, और एस), राख सामग्री और राख संरचना (मुख्य रूप से Ca, अल, Si, और पी) द्वारा विशेषता जा सकता है।

Protocol

1. घरेलू बचे हुए के हाइड्रोथर्मल कार्बनीकरण

  1. प्रतिक्रिया मिश्रण के लिए पानी और बायोमास की उपयुक्त मात्रा की गणना.
    1. प्रतिक्रिया मिश्रण autoclave की मात्रा का आधा भरना होगा. मान लीजिए कि मिश्रण का घनत्व लगभग 1 g/mL है और भार द्वारा मात्रा की गणना करें। लगभग 80 wt% पानी और बाकी ठोस बात होनी चाहिए. कुल मिलाकर पानी की मात्रा महत्वपूर्ण नहीं है और 70 से 85 wt% तक हो सकती है।
    2. ऐसे फल के छिलके या अखाद्य सब्जी भागों के रूप में रसोई बचे हुए से बायोमास का चयन करें। धारा 1 के लिए एक सटीक जन संतुलन की गणना करने के उद्देश्य के साथ, 2 एच या रात भर के लिए एक ओवन में 100-105 डिग्री सेल्सियस पर बायोमास का एक नमूना सूखी। प्राप् त द्रव्यमान बायोमास का ठोस पदार्थ है। वैकल्पिक रूप से, साहित्य डेटा का उपयोग करें (सटीकता कम हो जाती है).
    3. गणना करें कि ऑटोक्लेव को 20 टट% ठोस पदार्थ के साथ चार्ज करने के लिए कितना गीला बायोमास की आवश्यकता होती है और इसके साथ कितना जल एक साथ पेश किया जाना है। यह गणना कीजिए कि रिएक्टर में वांछित जल राशि तक पहुंचने के लिए कितने जल की आवश्यकता है।
  2. ऑटोक्लेव चार्ज करना.
    चेतावनी: ऑटोक्लेव 50 बार के एक फट दबाव के साथ एक टूटना डिस्क के साथ प्रदान किया जाना है।
    1. वजन बायोमास और पानी के रूप में चरण 1.1.3 में गणना की और दोनों autoclave में परिचय.
    2. ऑटोक्लेव को बंद करें और इसे नाइट्रोजन के साथ 20 बार तक दबाव दें। पुष्टि करें कि 30 मिनट से अधिक कोई दबाव नुकसान नहीं है। यह सुनिश्चित करता है कि पोत ठीक से किसी भी लीक के बिना बंद कर दिया है. दबाव छोड़ें और पोत को फिर से बंद कर दें।
  3. कार्बनीकरण प्रतिक्रिया.
    1. सरगर्मी पर स्विच करें. ऑटोक्लेव को 30 मिनट के भीतर 215 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करें और कम से कम 4 घंटे या रात के तापमान को बनाए रखें।
    2. पहले 2 ज के लिए दबाव की निगरानी करें। सामान्य तः यह जल के वाष्प दाब वक्र को 21 छड़ तक ले जाता है। यदि दबाव नहीं बढ़ाता है, तो या तो हीटिंग ठीक से काम नहीं कर रहा है, या पोत ठीक से बंद नहीं है। यदि ऐसा होता है, प्रतिक्रिया बंद करो और हीटिंग और सील की जाँच करें.
    3. दुर्लभ मामलों में, जैसे, यदि बायोमास decarboxylation से ग्रस्त है, अधिकतम दबाव हो सकता है 5 से 10 बार 215 डिग्री सेल्सियस पर भाप के दबाव की वजह से 21 बार की तुलना में अधिक है. यदि दाब 35 छड़ से अधिक हो जाता है, तो तापन को बंद कर दें और अभिक्रिया को बाधित करें। कमरे के तापमान को ठंडा करने के बाद ध्यान से शेष दबाव जारी है और चरण 1.3.1 से फिर से शुरू करते हैं।
  4. कच्चे हाइड्रोचर की वसूली।
    1. जब ऑटोक्लेव प्राकृतिक शीतलन द्वारा कमरे के तापमान को ठंडा कर देता है, तो ध्यान से किसी भी अवशिष्ट दबाव को छोड़ दें और ऑटोक्लेव खोलें।
    2. एक Buchner कीप के साथ वैक्यूम निस्पंदन द्वारा अलग ठोस और तरल. खतरनाक प्रयोगशाला अपशिष्ट के बीच जलीय समाधान के रूप में तरल चरण के निपटान.
    3. 2 ज या रात भर के लिए एक ओवन में 100 से 105 डिग्री सेल्सियस पर ठोस सूखी। पहले चरण के द्रव्यमान संतुलन की गणना करें, अर्थात हाइड्रोथर्मल कार्बनीकरण (अनुभाग 1)। इसके लिए, बायोमास के शुष्क वजन और उत्पाद के शुष्क वजन को ध्यान में रखें।

2. बैच मोड में कच्चे hydrochar के थर्मल उपचार

  1. 1 ग्राम सूखी कच्ची हाइड्रोचर का वजन करें और इसे ट्यूबलर क्वार्ट्ज रिएक्टर (बैच रिएक्टर) के कांच के फ्रिट पर रखें।
  2. 10 से 20 ग्राम जैसी बड़ी मात्रा के लिए, 0.2 से 6 मिमी के कण आकार के साथ छर्रों वाली सामग्री का उपयोग करें। अन्यथा, पसंदीदा चैनलों की घटना नमूने के सजातीय उपचार में बाधा डाल सकती है।
  3. रिएक्टर का हीटिंग मेंटल रखें और 20 एमएल/मिनट की डाउन-फ्लो नाइट्रोजन स्ट्रीम को कनेक्ट करें। संघनित तरल पदार्थ एकत्र करने के लिए रिएक्टर आउटलेट के नीचे एक छोटा बीकर रखें। शीतलक की आवश्यकता नहीं है.
  4. आउटलेट पर Aspirate गैसों और उन्हें निकास के लिए आचरण या एक निकास हुड में पूरे रिएक्टर जगह है. रिएक्टर को 10 डिग्री/मिनट के रैंप के साथ 275 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करें। 1 ज के लिए तापमान बनाए रखें।
  5. कमरे के तापमान को फिर से ठंडा करने पर, गैस प्रवाह को डिस्कनेक्ट करें। बीकर में एकत्र तरल को nonhalogenated कार्बनिक अवशेषों के लिए छोड़ दें। कार्बन सामग्री को पुनर्प्राप्त करें और इसका वजन करें। खंड 2 के लिए बड़े पैमाने पर संतुलन की गणना, अर्थात थर्मल उपचार, नियोजित और प्राप्त जनता से, और थर्मल उपचार में प्राप्त द्रव्यमान और कार्बनीकरण चरण में कार्यरत शुष्क बायोमास से समग्र प्रतिक्रिया के लिए।

3. thermogravimetry (टीजी) द्वारा अंतिम उत्पाद का विश्लेषण

  1. एक मोर्टार में उत्पाद क्रश और उपकरण की एक क्रूसिबल में एक 10 मिलीग्राम नमूना वजन.
  2. टीजी उपकरण के ऑटोप्रतिपलर में क्रूसिबल रखें और विश्लेषण की स्थिति का चयन करें: अधिकतम तापमान को 600 डिग्री सेल्सियस तक समायोजित करें और हवा को स्वीप गैस और 10 डिग्री/मिनट के तापमान रैंप के रूप में समायोजित करें।
  3. विश्लेषण प्रारंभ करें।
  4. प्रारंभिक भार के बीच अंतर की गणना करके टीजी वक्र में 275 डिग्री सेल्सियस पर द्रव्यमान हानि की गणना कीजिए तथा जो इस ताप पर देखा गया है (चित्र 2देखें)। प्रारंभिक वजन के प्रतिशत के रूप में बड़े पैमाने पर नुकसान व्यक्त करें. इलाज और कच्चे नमूनों के मूल्यों की तुलना करें. एक स्पष्ट कमी देखी जाती है।

Representative Results

वर्तमान प्रोटोकॉल दो चरणों में कृषि अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हाइड्रोचर प्रदान करता है (चित्र 1: हाइड्रोथर्मल कार्बनीकरण, जिसका पालन थर्मल पोस्ट-उपचार द्वारा किया जाता है। कार्बनीकरण अभिक्रिया में आर्द्र लिग्नोसेलुलोसिक बायोमास कार्बनमय पदार्थ में रूपांतरित हो जाता है। प्रतिक्रिया की सफलता सरल दृश्य निरीक्षण द्वारा निर्धारित किया जा सकता है: ठोस नमूना भूरा हो गया है, और गहरा भूरे रंग, और अधिक उन्नत कार्बनीकरण प्रतिक्रिया. कार्बोनीकरण डिग्री प्रतिक्रिया गंभीरता पर निर्भर करती है, जो प्रतिक्रिया समय से प्रभावित हो सकती है; एक लंबी प्रतिक्रिया समय, उदाहरण के लिए रात भर, एक इष्टतम प्रतिक्रिया परिणाम सुनिश्चित करता है. एक उच्च कार्बनीकरण डिग्री हमेशा एक कम द्रव्यमान उपज से संबंधित है.

अभिक्रिया के दौरान दाब को कम से कम 21 छड़ तक बढ़ाना होता है, जो कि स्वजात भाप दाब 215 डिग्री सेल्सियस होता है। तथापि, सामान्य तत्व- सारणी 1में दर्शाए गए इस मान से परे दाब बढ़ता है। अभिक्रिया दाब किसी भी प्रकार अप्रत्याशित होता है तथा यह बायोमास की प्रकार तथा निम्नीकरण की स्थिति पर निर्भर करता है। यह संभावना है कि स्थायी गैसों के गठन, जैसे कार्बन डाइऑक्साइड दबाव वृद्धि के लिए जिम्मेदार है और प्रतिक्रिया के दौरान दबाव वृद्धि (21 बार के भाप दबाव के संबंध में) autoclave नीचे ठंडा करने के बाद रहता है (तालिका 1 ; कम तापमान के लिए समायोजन से कम). बढ़ा हुआ दबाव ठोस (रॉ सामग्री गैसीय कार्बन डाइऑक्साइड में परिवर्तित हो जाता है) के बड़े पैमाने पर उपज पर एक प्रतिकूल प्रभाव हो सकता है, लेकिन इसके अलावा, यह समग्र उद्देश्य के लिए हानिकारक नहीं है. दबाव वृद्धि की एक स्पष्ट सीमा प्रतिक्रिया उपकरण की सुरक्षा सीमा है, उदाहरण के लिए, टूटना डिस्क के फट दबाव. छोटे लीक कारण है कि 21 बार दबाव तक पहुँच नहीं है हो सकता है. हालांकि, दबाव कम से कम 15 बार तक पहुंच जाना चाहिए।

कार्बनीकरण के बड़े पैमाने पर उपज में 30 से 90 wt%, आमतौर पर 50 से 65 wt% (तालिका1) की व्यापक रेंज शामिल होती है। बड़े पैमाने पर उपज आम तौर पर एक उच्च लिग्निन सामग्री के साथ वुडियर सामग्री के लिए अधिक है और इस तरह के स्टार्च के रूप में शुद्ध चीनी पॉलिमर (पॉलीऐसीटल) के लिए कम है। उदाहरण के लिए, कम पैदावार पत्तियों या compostable बैग के लिए मनाया जाता है. इसके अलावा, प्रतिक्रिया गंभीरता बड़े पैमाने पर उपज को प्रभावित करती है। जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है, लंबे समय तक प्रतिक्रिया बार कम प्रतिक्रियाओं द्वारा प्राप्त पैदावार की तुलना में बड़े पैमाने पर उपज को कम.

यदि वांछित हो तो कच्चे हाइड्रोचर को रासायनिक रूप से मौलिक विश्लेषण26,27द्वारा विशेषता दी जा सकती है । इस प्रकार, कार्बन सामग्री कार्बनीकरण की डिग्री का संकेत है. Lignocellulosic बायोमास एक कार्बन सामग्री है (सूखे और राख मुक्त आधार पर [daf]) 45 wt% की. इस मान को HTC द्वारा 60 या 65 wt% तक बढ़ाया जा सकता है. 65 wt% से ऊपर मान HTC के मामले में एक पहले से ही उन्नत कार्बनीकरण से संकेत मिलता है. उदाहरण के लिए डेटा तालिका 2देखें।

लिग्नोसेलूलोसिक बायोमास को वर्तमान प्रोटोकॉल में वर्णित हाइड्रोथर्मल कार्बनीकरण के लिए "शुद्ध नमूने" के रूप में नियोजित किया जा सकता है। यह बायोमास के एक निश्चित प्रकार के व्यवहार के अध्ययन के लिए विशेष रुचि का हो सकता है. हालांकि, व्यवहार में, बायोमास प्रकार के मिश्रण संसाधित कर रहे हैं. इसलिए, वर्तमान प्रोटोकॉल में एक औद्योगिक पायलट संयंत्र से हाइड्रोचर का एक नमूना नियोजित किया गया था। इस हाइड्रोचर की विशेषताओं को सारणी 3में संक्षेप में प्रस्तुत किया गया है।

थर्मल पोस्ट उपचार, इस प्रोटोकॉल का दूसरा चरण, विभिन्न तापमानों पर किया गया था, 200 से 300 डिग्री सेल्सियस की सीमा में, 275 डिग्री सेल्सियस आवश्यक और पर्याप्त तापमान25जा रहा है। सारणी 4 से यह देखा जा सकता है कि जब तापमान 200 से 250 डिग्री सेल्सियस, 275 डिग्री सेल्सियस और 300 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ा जाता है, और लगभग 90 wt% से 73 wt%, 74 wt% और 60 wt%, क्रमशः द्रव्यमान की उपज लगातार कम हो जाती है। हालांकि, बायोमास की विषमता, और रसोई बचे हुए मिश्रण से अन्य संभावित योगदान के कारण, यह मान पूरी तरह से reproduible नहीं है और 275 डिग्री सेल्सियस पर उपचार के लिए 70 wt% से 80 wt% तक की सीमा में भिन्न हो सकते हैं।

रिएक्टर आउटलेट के नीचे रखा एक बीकर में एक भूरे रंग का तरल एकत्र किया जाता है, जो खड़े होने पर दो चरणों में अलग होता है: एक पीला कम जलीय चरण और एक ऊपरी गहरे भूरे रंग का कार्बनिक चरण। द्रव के लिए उपज तापमान के लिए 8 wt% से 30 wt% तक 200 से 300 डिग्री सेल्सियस तक भिन्न होती है, और उपचार के लिए 20wt% के आसपास औसत 275 डिग्री सेल्सियस (तालिका 4)।

यह देखा जा सकता है कि थर्मल उपचार के बड़े पैमाने पर संतुलन 100 wt% तक नहीं पहुँच है, लेकिन 90 से 95 wt% तक रकम. शायद कार्बन डाइऑक्साइड के 5 से 10 wt% का गठन, decarboxylation द्वारा उत्पादित, अंतर के लिए कारण है. इसके अतिरिक्त, जल जैसे वाष्पशील यौगिकों को अभिक्रिया सेट-अप के साथ पूरी तरह से संघनित नहीं किया जाता है।

अंतिम उत्पाद ज़ुकोनी के अंकुरण परीक्षण28द्वारा अपने फाइटोटॉक्सिसिटी के लिए विश्लेषण किया जा सकता है। संक्षेप में, बीज जलीय निष्कर्षों के संपर्क में हैं और रूट विकास पर प्रभाव (कई दिनों या हफ्तों के बाद) मात्रा निर्धारित की जाती है। यहाँ, एक सीधा, मानक विश्लेषण प्रतिक्रिया परिणाम के एक तेजी से मूल्यांकन के लिए कार्यरत है, अर्थात् thermogravimetry द्वारा विश्लेषण (टीजी). इसके द्वारा, एक छोटा सा नमूना बढ़ते तापमान पर एक airflow के संपर्क में है (उदा., अप करने के लिए 600 डिग्री सेल्सियस) और वजन में कमी की निगरानी की है.

विभिन्न हाइड्रोचर नमूनों के लिए विशिष्ट टीजी ग्राफ चित्र 2में प्रदर्शित किए गए हैं। कच्चे हाइड्रोचर के लिए बड़े पैमाने पर नुकसान लगभग 200 डिग्री सेल्सियस पर शुरू होता है और 300 डिग्री सेल्सियस पर लगभग 50% तक पहुँचता है। चरण 2 के दौरान 200 डिग्री सेल्सियस पर इलाज किए गए नमूने के लिए, बड़े पैमाने पर हानि 200 डिग्री सेल्सियस पर फिर से शुरू होती है, लेकिन 300 डिग्री सेल्सियस 70% पर बनी रहती है। चरण 2 के दौरान उच्च तापमान पर उपचारित नमूने उच्च तापमान पर टीजी विश्लेषण के दौरान बड़े पैमाने पर खोने के लिए शुरू करते हैं और लगभग 90% 300 डिग्री सेल्सियस पर रहता है। अतः यह देखा जा सकता है कि कच्चे हाइड्रोचर के साथ उपचारित नमूनों की तुलना करते समय 200 से 300 डिग्री सेल्सियस के बीच अस्थिर की हानि कम हो जाती है। इस अस्थिर सामग्री का उन्मूलन थर्मल उपचार का उद्देश्य था और विश्लेषणात्मक विधि इस सफलता की स्पष्ट रूप सेपुष्टिकरती है .

परिमाणीकरण के लिए 275 डिग्री सेल्सियस पर द्रव्यमान हानि कानिर्धारण टीजी ग्राफ (चित्र 2) का उपयोग करके किया जा सकता है। चित्र 3में, पूरी बार अनुपचारित हाइड्रोचर नमूने (34.6 wt%) के लिए जन हानि प्रस्तुत करता है। 200 डिग्री सेल्सियस पर उपचार के बाद, बड़े पैमाने पर हानि निर्दिष्ट विश्लेषणात्मक शर्तों के तहत कुल द्रव्यमान का 17.1 wt% था। यह कच्चे हाइड्रोचर के संबंध में 17.5 प्रतिशत अंकों की अस्थिर सामग्री में कमी से मेल खाती है। 250, 275 और 300 डिग्री सेल्सियस पर उपचार के बाद, इसी बड़े पैमाने पर हानि 6.01, 5.17, और कुल द्रव्यमान का 4.22 wt% था, क्रमशः. यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि 200 डिग्री सेल्सियस पर उपचार इन अस्थिर के 50 wt% हटा दिया, और 250 डिग्री सेल्सियस पर एक से अधिक 80 wt% हटा दिया. इसके अलावा तापमान में वृद्धि केवल छोटे परिवर्तन प्रेरित.

Figure 1
चित्र 1: प्रोटोकॉल का Schematic वर्णन.
घरों द्वारा उत्पादित लिग्नोसेलूसिक बायोमास अवशेषों को हाइड्रोथर्मल कार्बोनाइजेशन (एचटीसी) द्वारा कच्चे हाइड्रोचर में परिवर्तित किया जाता है जो पानी के अभाव में 275 डिग्री सेल्सियस पर थर्मल पोस्ट-उपचार में शामिल एक परिष्करण प्रक्रिया में प्रस्तुत किया जाता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2: हाइड्रोचर नमूनों का थर्मोग्रेविमेट्रिक विश्लेषण।
घटता वजन घटाने दिखा जब कच्चे hydrochar और विभिन्न तापमान पर इलाज के नमूने बढ़ते तापमान पर हवा के संपर्क में थे. चित्र 3में उपचारों की दक्षताओं की तुलना के लिए 275 डिग्री सेल्सियस पर प्रवेल्यून का प्रयोग किया गया था। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3: तापग्वेमिति द्वारा हाइड्रोचर के विश्लेषण के दौरान 275 डिग्री सेल्सियस तक वजन घटाने।
विभिन्न तापमानों पर उपचारित कच्चे हाइड्रोचर और नमूनों का तापग्वेमिति (टीजी) द्वारा विश्लेषण किया गया। पूरी छड़ टीजी द्वारा विश्लेषण के दौरान 275 डिग्री सेल्सियस तक अनुपचारित हाइड्रोचर में समाप्त की गई राशि से मेल खाती है (चित्र 2देखें )। इस राशि hydrochar नमूनों के थर्मल उपचार द्वारा कम किया जा सकता है: द्वारा लगभग 50 wt%, अर्थात् द्वारा 17.5 प्रतिशत अंक, 200 डिग्री सेल्सियस (नीले रंग) पर उपचार द्वारा; 250 डिग्री सेल्सियस (लाल रंग) पर उपचार द्वारा एक और 11.1 प्रतिशत अंक; उपचार के तापमान में और अधिक तापमान वृद्धि केवल न्यूनतम प्रभाव दिखाती है, अर्थात् क्रमशः 275 डिग्री सेल्सियस (ग्रे) और 300 डिग्री सेल्सियस (नारंगी) पर उपचार के लिए 0.84 और 0.95 प्रतिशत अंक। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

नमूना नमी पानी जोड़ा गया कुल पानी दबाव (गर्म/ उपज ठोस (सूखी) उपज ठोस (सूखी)
कच्चे माल [g] [wt%] [g] [wt%] [बार] [g] [wt%]
फल बचे हुए
पिस्ता के गोले 5.00 8.0 १०.१ 69.5 22/0 2.28 49
जैतून का पत्थर 5.10 9.0 १०.१ 69.5 31/9 2.55 55
खुबानी कर्नेल 8.74 11.5 3.33 35.9 26/13 2.56 33
बेर पत्थर 4.95 33.6 १०.२ 78.3 28/9 2.11 64
चेरी पत्थर 7.61 45.8 4.03 64.6 30/10 2.62 64
निसपेरो पत्थर 10.7 53.0 2.41 61.6 40/14 2.57 51
अमृताइन पत्थर 9.65 48.6 5.44 67.1 27/10 3.30 67
केले की त्वचा 15.2 89.0 2.27 90.4 25/9 0.93 56
तरबूज त्वचा 16.1 87.4 2.32 89.0 24/8 0.64 32
अनानास कोर 15.5 86.1 2.15 87.8 26/9 1.30 60
सब्जी बचे हुए, पौधों और शाकीय सामग्री
पाम पत्ते 12.6 55.1 2.17 61.7 42/17 4.95 87
पाम पेड़ 15.0 78.5 2.11 81.2 23/4 1.47 45
अनानास के पत्ते 15.4 78.4 1.74 80.6 21/8 1.00 30
कॉफी आधार 10.8 60.9 5.08 73.4 20/9 2.73 65
आर्टिशोके पत्ते 15.1 80.2 2.18 82.7 31/9 1.53 51
सलाद के पत्ते 15.3 91.3 1.77 92.2 20/5 0.39 29
कैलोट पत्ते 15.0 72.7 2.80 77.0 29/11 1.54 38
बीन फली 15.1 82.6 2.30 84.9 31/4 1.43 55
कम्पोस्ट करने योग्य बैग
हर रोज इस्तेमाल के लिए खाद बैग 5.01 0 10.0 66.7 20/4 2.08 42
खाद के लिए थैला 2.50 0 5.00 66.7 16/3 0.92 37
खाद कॉफी कैप्सूल (कोफ़ े आधार के साथ) 5.56 31.4 8.05 72.0 26/7 1.19 31

तालिका 1: हाइड्रोथर्मल कार्बनीकरण के लिए प्रायोगिक डेटा.
प्राप्त हाइड्रोचर की प्रतिक्रियाओं और उपज के लिए उपयोग किए जाने वाले ठोस पदार्थ और जल की मात्रा। दबाव मान अधिकतम दबाव को इंगित करता है जब 215 डिग्री सेल्सियस (गर्म) को गर्म किया जाता है और ऑटोक्लेव को कमरे के तापमान (ठंडा) में ठंडा करने के बाद।

सी (डफ) एच (डफ) एन (डफ) एस (डफ)
कच्चे माल [wt%] [wt%] [wt%] [wt%]
फल बचे हुए
पिस्ता के गोले 68.0 4.66 0.34 0.00
जैतून का पत्थर 70.0 5.97 0.81 0.00
खुबानी कर्नेल 68.6 6.16 2.21 0.00
बेर पत्थर 69.8 6.44 1.48 0.01
चेरी पत्थर 67.4 5.52 1.13 0.00
निसपेरो पत्थर 67.1 5.47 1.90 0.03
अमृताइन पत्थर 68.8 5.39 0.88 0.04
केले की त्वचा 71.7 6.41 2.91 0.06
तरबूज त्वचा 69.1 6.24 2.56 0.08
अनानास कोर 68.3 5.33 1.54 0.02
सब्जी बचे हुए, पौधों और शाकीय सामग्री
पाम पत्ते 63.7 6.47 2.65 0.20
पाम पेड़ 63.2 6.09 2.02 0.03
अनानास के पत्ते 60.0 6.52 2.24 0.11
कॉफी आधार 66.8 6.63 3.54 0.17
आर्टिशोके पत्ते 63.2 5.77 3.28 0.13
सलाद के पत्ते 57.8 6.09 3.48 0.18
कैलोट पत्ते 63.9 5.82 3.79 0.55
बीन फली 68.0 6.17 4.18 0.14
कम्पोस्ट करने योग्य बैग
हर रोज इस्तेमाल के लिए खाद बैग 56.8 5.15 0.09 0
खाद के लिए थैला 61.1 5.38 0.09 0
खाद कॉफी कैप्सूल (कोफ़ े आधार के साथ) 60.5 5.57 2.56 0

तालिका 2: hydrochar नमूनों के मौलिक विश्लेषण.

गुण इकाई मान
ऐश सामग्री (सूखी आधार; 815 डिग्री सेल्सियस) [wt%] 12.9
वाष्पशील (सूखी आधार; 900 डिग्री सेल्सियस) [wt%] 66.4
फिक्स्ड कार्बन (सूखी आधार) [wt%] 20.8
सी (डफ) [wt%] 66.1
एच (डफ) [wt%] 7.4
एन (डफ) [wt%] 3.0
एस (डफ) [wt%] 0.2

सारणी 3: तापीय उपचारों में प्रयुक्त हाइड्रोचर नमूने का समीपस्थ विश्लेषण और मौलिक विश्लेषण28.

उपज उपज
प्रारंभिक द्रव्यमान (हाइड्रोचर) तापमान अंतिम द्रव्यमान (हाइड्रोचर) द्रव्यमान द्रव वायुसेना के द्रव्यमान संतुलन पराभव ठोस उपज द्रव वायुसेना के
प्रविष्टि [g] [जेडसी] [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
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 १.०१ 5.78 95.6 73.5 22.1 3.29 18.8
4 15.7 200 13.7 1.27 0.26 १.०१ 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 ९०.१ 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
ओ.एफ.एम.एस.डब्ल्यू. के बजाय उद्यान prunings से उत्पादित हाइड्रोचर के साथ बाहर किया गया।

तालिका 4: थर्मल उपचार से प्रायोगिक डेटा.
प्रतिक्रिया के बाद, एक ठोस और एक तरल बरामद किया जाता है। जलीय (वायुसेना) तथा एक कार्बनिक अंश (OF) में खड़े होने पर अलग किया गया द्रव। लापता राशि स्थायी गैस गठन के लिए जिम्मेदार ठहराया है, जैसे, कार्बन डाइऑक्साइड और पानी जैसे अस्थिर पदार्थ के अधूरा संघनन.

Discussion

हाइड्रोथर्मल कार्बनीकरण एक बहुत ही लचीला तरीका है और हमेशा एक कार्बनमय उत्पाद प्रदान करता है, अर्थात्, हाइड्रोचर। हालांकि, हाइड्रोचर की उपज और गुण न केवल प्रतिक्रिया स्थितियों या प्रतिक्रिया नियंत्रण के कारण भिन्न हो सकते हैं, बल्कि बायोमास की विषमता और भिन्नता के कारण हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, बड़े पैमाने पर उपज और सी सामग्री एक उच्च लिग्निन सामग्री या वुडी सामग्री के साथ lignocellulosic बायोमास के लिए अधिक हो सकता है.

मामले में है कि एक उच्च कार्बनीकरण की डिग्री (तत्वात्मक विश्लेषण द्वारा परिमाणित) वांछित है, hydrochar कार्बनीकरण प्रतिक्रिया करने के लिए पुन: प्रस्तुत किया जा सकता है. वैकल्पिक रूप से, भविष्य में प्रतिक्रिया प्रतिक्रिया समय लंबे समय तक किया जा सकता है या प्रतिक्रिया तापमान बढ़ाया जा सकता है (कौशन, autogenous पानी का दबाव तापमान के साथ तेजी से बढ़ जाती है).।

थर्मल उपचार के परिणाम भी कच्चे माल की संरचना पर निर्भर करता है। उदाहरण के लिए, यदि बायोमास वनस्पति तेल जैसे अन्य कार्बनिक घटकों को शामिल करता है, थर्मल उपचार ठोस और बड़े पैमाने पर हानि से इन अस्थिर यौगिकों को अलग करेगा अधिक से अधिक हो जाएगा.

वर्तमान प्रोटोकॉल में, दोनों चरणों बैच मोड में किए जाते हैं। औद्योगिक अनुप्रयोग के लिए, संपूर्ण उत्पादन प्रक्रिया को सतत मोड में किया जाना चाहिए। हाइड्रोथर्मल कार्बनीकरण पहले से ही एक सतत प्रक्रिया के रूप में किया जाता है26,27, लेकिन थर्मल उपचार अभी भी आगे विकसित किया जाना है. अंतिम उद्देश्य के लिए पीट गुणों के साथ एक कार्बोनेसियस सामग्री में OFMSW परिवर्तित इतना है कि पीट रोजगार (एक जीवाश्म सामग्री माना जाता है) पर्यावरण के लिए स्पष्ट लाभ के साथ कृषि और बागवानी में बढ़ जाती है और जलवायु के लिए एक योगदानकर्ता के रूप में शमन बदलें.

Disclosures

Marisa Hernandez और बोर्जा ओलिवर-Tomas Ingelia SL के कर्मचारी हैं जो इस लेख में इस्तेमाल किए गए हाइड्रोचर नमूनों का उत्पादन करते हैं। मारिया कॉन्सुलो हर्नांडेज़-सोतो, एस्तेफान पांस और माइकल रेन्ज़ के पास कुछ भी खुलासा नहीं है।

Acknowledgments

लेखक जलवायु-केसी कार्यक्रम के CharM और AdvCharM के तहत यूरोपीय आयोग से प्राप्त वित्तीय सहायता के लिए आभारी हैं और विज्ञान, नवाचार और विश्वविद्यालयों के विज्ञान मंत्रालय से RTC-2017-6087-5 के तहत "Investigacien, Desarrollo ई नवाचार ओरिएंटेड एक लॉस Retos de la Sociedad कार्यक्रम और Severo Ochoa कार्यक्रम के तहत (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)

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