Transformatie van organisch huishoudelijk restjes naar een veen vervanger

Chemistry
 

Summary

Een protocol voor hydrothermische carbonisatie van plantaardig voedselafval in een autoclaaf wordt gepresenteerd, met daaropvolgende droge thermische behandeling bij 275 ° c in een continue stroom reactor die vluchtige organische stoffen desorberende. Het doel is om een koolstof materiaal te produceren dat geschikt is als bodem verbeterende product of substraat component.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Een tweestapsprocedure wordt beschreven voor de synthese van een koolstof materiaal met een vergelijkbare samenstelling en eigenschappen als turf. De geproduceerde hydrochar is geschikt gemaakt voor agrarische toepassingen door het verwijderen van de plant groeiende remmende stoffen. NAT huishoudelijk afval zoals vruchten schil, koffie gronden, niet-eetbare plantaardige delen of vochtig lignocellulosisch materiaal in het algemeen, worden behandeld in aanwezigheid van water bij 215 °C en 21 bar in een autoclaaf, d.w.z. door hydrothermische carbonisatie. Al deze restjes hebben een aanzienlijk watergehalte van 90 gewichtsprocent (WT%). Het toevoegen van water breidt de procedure uit tot drogere materialen zoals nutshells of zelfs tuin snoeringen en compostelbare polymeren, d.w.z. de plastic zak voor het verzamelen van de restjes.

Meestal produceert het resulterende koolstof materiaal, genaamd hydrochar, een negatief effect op de plantengroei wanneer het wordt toegevoegd aan de bodem. Het wordt verondersteld dat dit effect wordt veroorzaakt door geadsorbedde fytotoxische verbindingen. Een eenvoudige nabehandeling onder inerte atmosfeer (afwezigheid van zuurstof) bij 275 °C verwijdert deze stoffen. Daarom wordt de rauwe hydrochar op een glasfrit van een verticale buisvormige kwarts reactor geplaatst. Een stikstof gasstroom wordt toegepast in de richting van de down-flow. De buis wordt verhit tot de gewenste temperatuur door middel van een Verwarmingsmantel voor maximaal een uur.

Het succes van de thermische behandeling wordt gemakkelijk gekwantificeerd door thermogravimetrie (TG), uitgevoerd in de lucht. Een gewichtsverlies wordt bepaald wanneer de temperatuur van 275 °C wordt bereikt, aangezien vluchtige inhoud wordt gedesorverd. De hoeveelheid wordt verlaagd in het uiteindelijke materiaal, in vergelijking met de onbehandelde hydrochar.

De tweestapsbehandeling converteert huishoudelijke restjes, met inbegrip van composteerbare zakken die voor hun inzameling worden gebruikt, in een koolstof materiaal dat als plantengroei bevorderaar kan dienen en tegelijkertijd als een koolstof spoelbak voor mitigatie van de klimaatverandering.

Introduction

Hydrothermische carbonisatie (HTC) is een opkomende technologie voor afvalbeheer van natte, lignocellulosische middelen. Deze technologie werd herontdekt door Antonietti en Titirici en toegepast op dennennaalden, dennenappels, Eikenloof en sinaasappelschillen1. Daardoor wordt de biomassa omgezet in hydrochar, een koolzuurvaste stof die lijkt op bruinkool2,3 of turf4,5. Sindsdien hebben vele residuele grondstoffen zoals agro-industrieel afval verwerkt6,7,8, de organische Fractie van stedelijk vast afval (ofmsw)9, of papiermolen slib10. De technologie wordt ook gebruikt als voor behandeling van biomassa voor pyrolyse en vergassing11. Daarnaast biedt de procedure moderne nanotechnologie materialen uit homogene hernieuwbare bronnen zoals suikers of cellulose. Deze geavanceerde materialen hebben potentieel voor toekomstige toepassingen als elektroden voor oplaadbare batterijen, brandstofcellen of superkrachten, gasopslag, sensoren of levering van geneesmiddelen12,13.

Hydrochar is een koolstof materiaal en kan als zodanig worden gebruikt als hernieuwbare vaste brandstof, vooral wanneer het wordt geproduceerd uit lage waarde, heterogene bronnen met variabele (seizoensgebonden of regionale) samenstelling. De productie van hydrochar en de toepassing ervan op de bodem, in plaats van de onmiddellijke verbranding ervan, zullen echter een drievoudige bijdrage leveren aan de mitigatie van klimaatverandering. Ten eerste, het kiezen van HTC als afvalbeheer technologie vermijdt de uitstoot van het krachtige broeikasgas methaan tijdens compostering of ongecontroleerde ontleding14,15. Ten tweede, het vermijden van verbranding van hydrochar na een korte tijd en het toepassen op de bodem, verwijdert het koolstofdioxide uit de atmosfeer voor een langere periode, dat wil zeggen, het bestaat uit Real Carbon Capture and Storage (CCS)16,17. Ten derde, in het algemeen, geamendeerde char bodems zijn meer vruchtbare bodems (zwarte bodems) en plantengroei wordt verhoogd. 18 , 19 dit vermindert het gebruik van meststoffen en de uitstoot van kooldioxide in verband met hun productie, naast het behoud van middelen. Bovendien verwijdert extra plantengroei meer koolstofdioxide uit de atmosfeer.

Hoewel het duidelijk is dat er veel schijnbare argumenten zijn voor de toepassing van hydrochar op de bodem, houdt het materiaal een ongemak in: rauwe hydrochar gedraagt zich niet precies als Biochar dat wordt geproduceerd door pyrolyse. Hydrochar verhoogt niet duidelijk de plantengroei of nog erger, het veroorzaakt vaak een nogal negatief effect20,21,22. Daarom worden boeren niet aangemoedigd om het toe te passen, en nog minder om er geld voor te betalen. Gelukkig kan dit nadeel worden verzacht of geëlimineerd. De eenvoudigste manier is om gewoon te wachten op de tweede kweekcyclus22. Ook wassingen20,21,22,23 of co-compostering24 zijn succesvolle behandelingen voor dit doel. Al deze procedures vereisen echter tijd of produceren een waterige stroom die verdere zorg nodig heeft.

Onlangs is gebleken dat rauwe hydrochar kan worden onderworpen aan een zachte thermische post-behandeling25. Het doel van deze procedure is simpelweg de ongewenste vluchtige en schadelijke stoffen te desorptie. De resulterende geconcentreerde stroom van voornamelijk organisch materiaal kan thermisch worden onderzoeksresultaten in situ. Als zodanig is de energiebalans van de HTC-fabriek verbeterd en wordt elk milieurisico van de zijstroom voorkomen. Ontkieming tests tonen aan dat de behandeling succesvol is bij een temperatuur van 275 °C of hoger.

Het huidige protocol (Zie Figuur 1) omvat twee reactie stappen en één eenvoudige analytische methode voor de evaluatie van de uitkomst van de reactie. Tijdens de eerste stap wordt de biomassa omgezet in rauwe hydrochar in een autoclaaf bij 215 °C en bij een druk van 21 bar. Hier worden huishoudelijk restjes gebruikt als startmateriaal. Deze omvatten allerlei plantaardige materialen zoals fruit schillen, fruit stenen, oneetbare plantaardige onderdelen, koffie gronden, keukenpapier, compostelbare plastic zakken, enz. Het carbonaceeuze materiaal wordt opgevangen door filtratie en gedroogd. Voor de tweede stap wordt het geplaatst op een glasfrit van een verticale buisvormige reactor die de gasstroom in een neerwaartse stroomrichting toepast. De buis wordt verhit tot 275 °C gedurende 1 uur. De resulterende vaste stof wordt door thermogravimetrie (TG) in de lucht geanalyseerd. Het materiaalverlies tot 275 °C wordt gekwantificeerd en vergeleken met het verlies dat wordt waargenomen bij onbehandelde hydrochar. Het koolstof materiaal kan verder worden gekarakteriseerd door elementair onderzoek (C, H, N en S), asgehalte en assamenstelling (voornamelijk CA, al, si en P).

Protocol

1. hydrothermische carbonisatie van huishoudelijke restjes

  1. Berekening van de geschikte hoeveelheden water en biomassa voor het reactiemengsel.
    1. Het reactiemengsel moet de helft van het volume van de autoclaaf vullen. Stel dat de dichtheid van het mengsel ongeveer 1 g/mL is en bereken de bedragen op gewicht. Ongeveer 80 GEW% moet water en de rest vaste stof. Het totale watergehalte is niet cruciaal en kan variëren van 70 tot 85 gew.%.
    2. Selecteer de biomassa uit keuken restjes zoals fruit schillen of oneetbare plantaardige onderdelen. Om een exacte massabalans voor sectie 1 te berekenen, moet u een monster van de biomassa bij 100 – 105 °C drogen in een oven voor 2 uur of 's nachts. De verkregen massa is de vaste stof van de biomassa. U ook literatuurgegevens gebruiken (de nauwkeurigheid wordt verlaagd).
    3. Bereken hoeveel natte biomassa nodig is om de autoclaaf op te laden met 20 GEW% vaste stof en hoeveel water er samen met de stof moet worden geïntroduceerd. Bereken hoeveel water nodig is om de gewenste hoeveelheid water in de reactor te bereiken.
  2. Het opladen van de autoclaaf.
    Let op: de autoclaaf moet worden voorzien van een ruptuur schijf met een burst-druk van 50 bar.
    1. Weeg biomassa en water af zoals berekend in stap 1.1.3 en introduceer beide in de autoclaaf.
    2. Sluit de autoclaaf en druk deze met stikstof tot 20 bar. Bevestig dat er geen drukverlies is gedurende 30 minuten. Dit zorgt ervoor dat het vat goed gesloten is zonder lekkages. Laat de druk los en sluit het vat opnieuw.
  3. Carbonisatie reactie.
    1. Schakel het roer in. Verwarm de autoclaaf tot 215 °C binnen 30 minuten en houd de temperatuur gedurende ten minste 4 uur of 's nachts bij.
    2. Controleer de druk voor de eerste 2 uur. In het algemeen volgt de dampdruk curve van water tot 21 bar. Als de druk niet toeneemt, wordt de verwarming niet goed uitgevoerd of is het schip niet goed gesloten. Als dit gebeurt, stop dan de reactie en controleer de verwarming en afdichting.
    3. In zeldzame gevallen, bijvoorbeeld als de biomassa gevoelig is voor decarboxylering, kan de maximale druk 5 tot 10 bar hoger zijn dan de 21 Bar, veroorzaakt door Stoomdruk bij 215 °C. Als de druk hoger is dan 35 bar, schakel dan de verwarming uit en onderbreek de reactie. Nadat het op kamertemperatuur is afgekoeld, laat u de resterende druk voorzichtig los en start u opnieuw vanaf stap 1.3.1.
  4. Herstel van de rauwe hydrochar.
    1. Wanneer de autoclaaf is afgekoeld tot kamertemperatuur door natuurlijke koeling, laat u de restdruk voorzichtig los en opent u de Autoclave.
    2. Scheid vaste en vloeistoffen door vacuümfiltratie met een Buchner trechter. Gooi de vloeibare fase weg als waterige oplossing onder gevaarlijk laboratoriumafval.
    3. Droog de vaste stof bij 100 tot 105 °C in een oven voor 2 uur of 's nachts. Bereken de massabalans van de eerste stap, d.w.z. de hydrothermische carbonisatie (sectie 1). Hierbij rekening houden met het droge gewicht van de biomassa en het droge gewicht van het product.

2. thermische behandeling van rauwe hydrochar in batch-modus

  1. Weeg 1 g droge rauwe hydrochar af en plaats deze op een glasfrit van een buisvormige kwarts reactor (Batch Reactor).
  2. Gebruik voor grotere hoeveelheden, zoals 10 tot 20 g, pelletiseerd materiaal met een deeltjesgrootte van 0,2 tot 6 mm. anders kan het optreden van voorkeurs kanalen de homogene behandeling van het monster belemmeren.
  3. Plaats de Verwarmingsmantel van de reactor en Verbind een down-flow stikstofstroom van 20 mL/min. plaats een klein bekerglas onder de reactor uitlaat om gecondenseerde vloeistoffen te verzamelen. Koeling is niet vereist.
  4. Aspirate gassen aan de uitlaat en voer ze naar de uitlaat of plaats de hele reactor in een afzuigkap. Verwarm de reactor tot 275 °C met een helling van 10 graden/min. behoud de temperatuur gedurende 1 uur.
  5. Als u weer op kamertemperatuur wordt afgekoeld, koppelt u de gasstroom los. Gooi de in het bekerglas verzamelde vloeistof weg met de niet-gehalogeneerde organische residuen. Herstel het koolstof materiaal en weeg het af. Bereken de massabalans voor sectie 2, d.w.z. de thermische behandeling, van de massa's die worden gebruikt en verkregen, en voor de algehele reactie van de massa die is verkregen in de thermische behandeling en de droge biomassa die in de carbonisatie stap wordt gebruikt.

3. analyse van het eindproduct door thermogravimetrie (TG)

  1. Plet het product in een mortel en weeg een monster van 10 mg in een filterkroes van het apparaat.
  2. Plaats de filterkroes in de autosampler van het TG-apparaat en selecteer de analyse condities: Stel de maximale temperatuur in op 600 °C en gebruik lucht als sweep gas en een temperatuur helling van 10 graden/min.
  3. Start de analyse.
  4. Kwantificeer het massaverlies bij 275 °C in de TG-curve door het verschil te berekenen tussen het aanvangs gewicht en dat bij deze temperatuur is waargenomen (Zie Figuur 2). Het massaverlies uitdrukken als percentage van het aanvankelijke gewicht. Vergelijk de waarden van behandelde en onbewerkte monsters. Er wordt een duidelijke reductie waargenomen.

Representative Results

Het huidige protocol biedt hydrochar geschikt voor agrarische toepassingen in twee stappen (Figuur 1): hydrothermische carbonisatie, gevolgd door een thermische nabehandeling. In de carbonisatie reactie wordt natte lignocellulosische biomassa omgezet in een koolstof achtig materiaal. Het succes van de reactie kan worden bepaald door een eenvoudige visuele inspectie: het vaste monster moet bruin zijn geworden, en hoe donkerder de bruine kleur, hoe geavanceerder de carbonisatie reactie. De carbonisatie graad is afhankelijk van de ernst van de reactie, die kan worden beïnvloed door de reactietijd; een langere reactietijd, bijvoorbeeld 's nachts, zorgt voor een optimale reactie uitkomst. Een hogere carbonisatie graad is altijd gerelateerd aan een lagere massa opbrengst.

De druk tijdens de reactie moet toenemen tot ten minste 21 Bar, wat de autogene Stoomdruk is bij 215 °C. In het algemeen stijgt de druk echter verder dan deze waarde zoals weergegeven in tabel 1. De reactie druk is op de een of andere manier onvoorspelbaar en hangt af van het soort biomassa en de toestand van afbraak. Het is waarschijnlijk dat de vorming van blijvende gassen, zoals koolstofdioxide, verantwoordelijk is voor de drukverhoging en de drukverhoging tijdens de reactie (met betrekking tot de Stoomdruk van 21 bar) blijft na het afkoelen van de autoclaaf (tabel 1 ; verlaagd door aanpassing aan lagere temperatuur). De toegenomen druk kan een nadelig effect hebben op de massa opbrengst van de vaste stof (grondstof wordt omgezet in gasvormig koolstofdioxide), maar afgezien hiervan is het niet schadelijk voor de algemene doelstelling. Een duidelijke beperking van de drukverhoging is de veiligheidslimiet van het reactie apparaat, bijvoorbeeld de burst-druk van de ruptuur schijf. Kleine lekken kunnen de reden zijn dat de druk van 21 bar niet wordt bereikt. De druk moet echter ten minste 15 bar bereiken.

De massa opbrengst van de carbonisatie omvat een breed bereik van 30 tot 90 gew.%, meestal van 50 tot 65 GEW% (tabel 1). De massa opbrengst is meestal hoger voor verhoutte materiaal met een hoger ligninegehalte en lager voor zuivere suiker polymeren (Polyacetalen) zoals zetmeel. Bijvoorbeeld, lagere opbrengsten worden waargenomen voor bladeren of compostelbare zakken. Bovendien beïnvloedt de ernst van de reactie de massa opbrengst. Zoals reeds vermeld, verminderen langdurige reactietijden de massa opbrengst in vergelijking met de opbrengsten verkregen door kortere reacties.

Indien gewenst kan de rauwe hydrochar chemisch worden gekarakteriseerd door elementair onderzoek26,27. Daardoor is het koolstofgehalte indicatief voor de carbonisatie graad. Lignocellulosische biomassa heeft een koolstofgehalte (op droge en asvrije basis [DAF]) van 45 gew.%. Deze waarde kan worden verhoogd tot 60 of 65 WT% door HTC. Waarden boven 65 GEW% duiden op een reeds geavanceerde carbonisatie in termen van HTC. Bijvoorbeeld gegevens Zie tabel 2.

De lignocellulosische biomassa kan worden gebruikt als "zuivere monsters" voor hydrothermische carbonisatie zoals beschreven in dit protocol. Dit kan van bijzonder belang zijn voor de studie van het gedrag van een bepaald type biomassa. In de praktijk worden mengsels van biomassa soorten echter verwerkt. Daarom werd in dit protocol een steekproef van hydrochar van een industriële pilootfabriek gebruikt. De kenmerken van deze hydrochar zijn samengevat in tabel 3.

De thermische nabehandeling, de tweede stap van dit protocol, werd uitgevoerd bij verschillende temperaturen, in het bereik van 200 tot 300 °C, 275 °C de noodzakelijke en voldoende temperatuur25. Uit tabel 4 blijkt dat de massa-opbrengst achtereenvolgens afneemt wanneer de temperatuur wordt verhoogd van 200 tot 250 °c, 275 °c en 300 °c, en van bijna 90 WT% tot 73 WT%, 74 WT% en 60 WT%, respectievelijk. Echter, vanwege de heterogeniteit van biomassa, en andere mogelijke bijdragen uit de keuken overgebleven mix, deze waarde is niet volledig reproduceerbaar en kan variëren in het bereik van 70 GEW% tot 80 WT% voor de behandeling bij 275 ° c.

In een beker die onder de uitlaat van de reactor wordt geplaatst, wordt een bruine vloeistof verzameld, die bij het opstaan in twee fasen wordt gescheiden: een gele, lagere waterige fase en een bovenste donker bruine organische fase. De opbrengst van de vloeistof varieert van 8 GEW% tot 30 GEW% voor het temperatuurbereik van 200 tot 300 °C, en gemiddelden rond 20wt% voor de behandeling bij 275 °C (tabel 4).

Het kan worden gezien dat de massabalans van de thermische behandeling niet 100 GEW% bereikt, maar sommen tot 90 tot 95 gew.%. Misschien is de vorming van 5 tot 10 gew.% kooldioxide, geproduceerd door decarboxylatie, de reden voor de kloof. Bovendien worden vluchtige stoffen zoals water niet volledig gecondenseerd met de reactie-opstelling.

Het eindproduct kan worden geanalyseerd op fytotoxiciteit door de kieming test van Zucconi28. In het kort, zaden worden blootgesteld aan waterige extracten en het effect op de wortelgroei wordt gekwantificeerd (na enkele dagen of weken). Hierin wordt een eenvoudige, standaard analyse gebruikt voor een snelle evaluatie van de uitkomst van de reactie, namelijk analyse door thermogravimetrie (TG). Hierbij wordt een klein monster blootgesteld aan een luchtstroom bij stijgende temperatuur (bijv. tot 600 °C) en wordt de gewichtsreductie bewaakt.

Typische TG-grafieken voor verschillende hydrochar-monsters worden weergegeven in Figuur 2. Het massaverlies voor de rauwe hydrochar begint bij ongeveer 200 °C en bereikt bijna 50% bij 300 °C. Voor het monster dat tijdens stap 2 bij 200 °C wordt behandeld, begint het massaverlies opnieuw bij 200 °C, maar blijft bij 300 °C 70% bestaan. De monsters die tijdens stap 2 bij hogere temperatuur werden behandeld, beginnen massa te verliezen tijdens TG-analyse bij hogere temperatuur en ongeveer 90% blijft bij 300 °C. Daarom kan worden gezien dat het verlies van vluchtige stoffen tussen 200 en 300 °C wordt verlaagd bij het vergelijken van de ene voor de behandelde monsters met rauwe hydrochar. De eliminatie van dit vluchtige materiaal was het doel van de thermische behandeling en de analytische methode bevestigt het succes ondubbelzinnig28.

Voor de kwantificering kan het massaverlies bij 275 °C worden bepaald met behulp van de TG-grafiek (Figuur 2). In Figuur 3presenteert de hele staaf het massaverlies voor het onbehandelde hydrochar monster (34,6 WT%). Na de behandeling bij 200 °C was het massaverlies 17,1 GEW% van de totale massa onder de gespecificeerde analytische condities. Dit komt overeen met een vermindering van de vluchtige inhoud van 17,5 procentpunten ten opzichte van rauwe hydrochar. Na behandelingen bij 250, 275 en 300 °C was het overeenkomstige massaverlies respectievelijk 6,01, 5,17 en 4,22 GEW% van de totale massa. Geconcludeerd kan worden dat de behandeling bij 200 °C 50 GEW% van deze vluchtige middelen heeft verwijderd, en de ene bij 250 °C meer dan 80 gew.% verwijderd. Verdere temperatuurstijging veroorzaakte slechts kleine veranderingen.

Figure 1
Figuur 1: schematische beschrijving van het protocol.
Door huishoudens geproduceerde lignocellulosische biomassa residuen worden door hydrothermische carbonisatie (HTC) omgezet in rauwe hydrochar die wordt voorgelegd aan een afwerkingsproces dat bestaat uit een thermische nabehandeling bij 275 °C bij afwezigheid van water. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Thermogravimetrische analyse van hydrochar monsters.
De curven tonen het gewichtsverlies wanneer rauwe hydrochar en monsters behandeld bij verschillende temperaturen werden blootgesteld aan lucht bij stijgende temperatuur. De waarden die werden waargenomen bij 275 °C werden gebruikt voor de vergelijking van de efficiëntieverbeteringen van de behandelingen in Figuur 3. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: gewichtsverlies tot 275 °C tijdens de analyse van hydrochar door thermogravimetrie.
Ruwe hydrochar en monsters die werden behandeld bij verschillende temperaturen werden geanalyseerd door thermogravimetrie (TG). De hele staaf komt overeen met de hoeveelheid geëlimineerd in onbehandelde hydrochar tot 275 °C tijdens analyse door TG (Zie Figuur 2). Dit bedrag kan worden verlaagd door thermische behandelingen van de hydrochar monsters: door ongeveer 50 GEW%, met name door 17,5 procentpunten, door de behandeling bij 200 °C (blauwe kleur); een ander 11,1 procentpunt door de behandeling bij 250 °C (rode kleur); verdere temperatuurstijging van de behandelings temperatuur vertonen slechts minimale effecten, namelijk 0,84 en 0,95 procentpunten voor de behandelingen bij respectievelijk 275 °C (grijs) en 300 °C (oranje). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Monster Vocht Water toegevoegd Totale water Druk (warm/koud) Vloeistof (droog) Vloeistof (droog)
Grondstof g [WT%] g [WT%] Bar g [WT%]
Restjes fruit
Pistache schelpen 5,00 8,0 10,1 69,5 22/0 2,28 49
Olive Stones 5,10 9,0 10,1 69,5 31/9 2,55 55
Abrikozen kernel 8,74 11,5 3,33 35,9 26/13 2,56 33
Plum Stones 4,95 33,6 10,2 78,3 28/9 2,11 64
Cherry stenen 7,61 45,8 4,03 64,6 30/10 2,62 64
Nispero stenen 10,7 53,0 2,41 61,6 40/14 2,57 51
Nectarine stenen 9,65 48,6 5,44 67,1 27/10 3,30 67
Banaan huid 15,2 89,0 2,27 90,4 25/9 0,93 56
Meloen huid 16,1 87,4 2,32 89,0 24/8 0,64 32
Ananas kern 15,5 86,1 2,15 87,8 26/9 1,30 60
Plantaardige restjes, planten en kruidachtige materialen
Palm bladeren 12,6 55,1 2,17 61,7 42/17 4,95 87
Palmboom 15,0 78,5 2,11 81,2 23/4 1,47 45
Ananas bladeren 15,4 78,4 1,74 80,6 21/8 1,00 30
Koffie terrein 10,8 60,9 5,08 73,4 20/9 2,73 65
Artisjoke bladeren 15,1 80,2 2,18 82,7 31/9 1,53 51
Sla bladeren 15,3 91,3 1,77 92,2 20/5 0,39 29
Calçot verlaat 15,0 72,7 2,80 77,0 29/11 1,54 38
Bean pods 15,1 82,6 2,30 84,9 31/4 1,43 55
Compostelbare zakken
Compostelbare tas voor dagelijks gebruik 5,01 0 10,0 66,7 20/4 2,08 42
Tas voor compostering 2,50 0 5,00 66,7 16/3 0,92 37
Compostelbare koffie capsule (met coffe Grounds) 5,56 31,4 8,05 72,0 26/7 1,19 31

Tabel 1: experimentele gegevens voor de hydrothermische carbonisaties.
Hoeveelheden vaste stof en water die worden gebruikt voor de reacties en de opbrengst van de verkregen hydrochar. De drukwaarde geeft de maximale druk aan die wordt waargenomen bij verhitting tot 215 °C (warm) en na afkoelen van de autoclaaf tot kamertemperatuur (koud).

C (DAF) H (DAF) N (DAF) S (DAF)
Grondstof [WT%] [WT%] [WT%] [WT%]
Restjes fruit
Pistache schelpen 68,0 4,66 0,34 0,00
Olive Stones 70,0 5,97 0,81 0,00
Abrikozen kernel 68,6 6,16 2,21 0,00
Plum Stones 69,8 6,44 1,48 0,01
Cherry stenen 67,4 5,52 1,13 0,00
Nispero stenen 67,1 5,47 1,90 0,03
Nectarine stenen 68,8 5,39 0,88 0,04
Banaan huid 71,7 6,41 2,91 0,06
Meloen huid 69,1 6,24 2,56 0,08
Ananas kern 68,3 5,33 1,54 0,02
Plantaardige restjes, planten en kruidachtige materialen
Palm bladeren 63,7 6,47 2,65 0,20
Palmboom 63,2 6,09 2,02 0,03
Ananas bladeren 60,0 6,52 2,24 0,11
Koffie terrein 66,8 6,63 3,54 0,17
Artisjoke bladeren 63,2 5,77 3,28 0,13
Sla bladeren 57,8 6,09 3,48 0,18
Calçot verlaat 63,9 5,82 3,79 0,55
Bean pods 68,0 6,17 4,18 0,14
Compostelbare zakken
Compostelbare tas voor dagelijks gebruik 56,8 5,15 0,09 0
Tas voor compostering 61,1 5,38 0,09 0
Compostelbare koffie capsule (met coffe Grounds) 60,5 5,57 2,56 0

Tabel 2: elementair onderzoek van hydrochar monsters.

Eigenschap Eenheid Waarde
Asgehalte (droge basis; 815 °C) [WT%] 12,9
Volatiles (droge basis; 900 °C) [WT%] 66,4
Vaste koolstof (droge 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: proximate analyse en elementaire analyse van het hydrochar monster dat wordt gebruikt in de thermische behandelingen28.

Opbrengst Opbrengst
initiële massa (hydrochar) Temperatuur eind massa (hydrochar) massa vloeistof AF Van massabalans vaste opbrengst vloeistof opleveren AF Van
Post 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
een uitgevoerd met hydrochar geproduceerd uit tuin snoeringen in plaats van de OFMSW.

Tabel 4: experimentele gegevens van de thermische behandelingen.
Na de reactie wordt een vaste en een vloeistof teruggewonnen. De vloeistof gescheiden bij het staan in een waterige (AF) en een organische fractie (van). Het ontbrekende bedrag wordt toegeschreven aan permanente gasvorming, bijvoorbeeld koolstofdioxide en onvolledige condensatie van vluchtige stoffen zoals water.

Discussion

De hydrothermische carbonisatie is een zeer veerkrachtige methode en biedt altijd een koolzuurprodukt, d.w.z. de hydrochar. De opbrengst en eigenschappen van de hydrochar kunnen echter variëren, niet alleen als gevolg van reactieomstandigheden of reactie controle, maar veeleer door heterogeniteit en variatie van de biomassa. Massa opbrengst en C-gehalte kunnen bijvoorbeeld hoger zijn voor lignocellulosische biomassa met een hoger lignine-gehalte of houtachtige materialen.

In het geval dat een hogere carbonisatie graad (gekwantificeerd door elementair onderzoek) gewenst is, kan de hydrochar opnieuw worden ingediend bij de carbonisatie reactie. Alternatief, in toekomstige reacties reactietijd kan worden verlengd of reactie temperatuur kan worden verhoogd (Let op, autogene waterdruk stijgt exponentieel met de temperatuur).

De uitkomst van de thermische behandeling hangt ook af van de samenstelling van de grondstof. Als de biomassa bijvoorbeeld andere organische componenten omvat, zoals plantaardige olie, zal de thermische behandeling deze vluchtige stoffen scheiden van het vaste en massaverlies zal groter zijn.

In dit protocol worden beide stappen in de batchmodus uitgevoerd. Voor industriële toepassingen moet het hele productieproces in continue modus worden uitgevoerd. De hydrothermische carbonisatie wordt al uitgevoerd als een continu proces26,27, maar de thermische behandeling moet nog verder worden ontwikkeld. Het uiteindelijke doel is om de OFMSW om te zetten in een koolzuurhoudend materiaal met veen eigenschappen, zodat het gebruik van turf (beschouwd als een fossiel materiaal) toeneemt in de land-en tuinbouw met duidelijke voordelen voor het milieu en als bijdrage aan de klimaat beperking wijzigen.

Disclosures

Marisa Hernandez en Borja Oliver-Tomas zijn medewerkers van Ingelia SL die hydrochar-samples produceerde die in dit artikel worden gebruikt. Maria Consuelo Hernández-Soto, Estefanía Ponce en Michael Renz hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De auteurs zijn dankbaar voor de financiële steun die de Europese Commissie heeft ontvangen onder de charme en de AdvCharM van het klimaat-KIG-programma en van het Spaanse ministerie van wetenschap, innovatie en universiteiten onder RTC-2017-6087-5 van de "onderzoekers, Desarrollo e innovacion Orientada a los retos de la Sociedad "programma en onder het programma Severo Ochoa (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)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Gruda, N. Current and future perspective of growing media in Europe. Acta Horticulturae. 960, 37-43 (2012).
  6. 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).
  7. Volpe, M., et al. One stage olive mill waste streams valorisation via hydrothermal carbonisation. Waste Management. 80, 224-234 (2018).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Hu, B., et al. Engineering carbon materials from the hydrothermal carbonization process of biomass. Advanced Materials. 22, (7), 813-828 (2010).
  13. 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).
  14. Sánchez, A., et al. Greenhouse gas emissions from organic waste composting. Environmental Chemistry Letters. 13, (3), 223-238 (2015).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. Burguete, P., et al. Fuel and chemicals from wet lignocellulosic biomass waste streams by hydrothermal carbonization. Green Chemistry. 18, (4), 1051-1060 (2016).
  28. Zucconi, F., Monaco, A., Forte, M., De Bertoldi, M. Phytotoxins during the stabilization of organic matter. Composting of Agricultural and Other Wastes. (1985).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics