Summary
ويُعرض بروتوكول لتجسيد النفايات الغذائية النباتية في الأوتوكلاف بالكربون الحراري المائي، مع المعالجة الحرارية الجافة اللاحقة عند درجة حرارة 275 درجة مئوية في مفاعل تدفق مستمر يُخِّص المواد العضوية المتطايرة. والهدف من ذلك هو إنتاج مادة كربونية مناسبة كمنتج تعديل التربة أو مكون الركيزة.
Abstract
ويرد وصف لإجراء من خطوتين لتركيب مادة كربونية ذات تكوين وخصائص مماثلة للخث. يتم إجراء هيدروشار المنتجة مناسبة للتطبيقات الزراعية عن طريق إزالة المواد المثبطة زراعة النبات. يتم التعامل مع النفايات المنزلية الرطبة مثل قشر الفاكهة، والقهوة، وقطع الخضروات غير الصالحة للأكل، أو المواد الليغنوسلولوسية الرطبة بشكل عام، في وجود الماء في 215 درجة مئوية و 21 بار في الأوتوكلاف، أي عن طريق الكربنة الحرارية المائية. كل هذه بقايا لها محتوى كبير من المياه تصل إلى 90٪ الوزن (الوزن٪). إضافة الماء يوسع الإجراء إلى مواد أكثر جفافا مثل الصدف أو حتى تقليم الحديقة والبوليمرات القابلة للتركيب، أي كيس من البلاستيك لجمع بقايا الطعام.
وعادة ما تنتج مادة الكربون الناتجة، التي تسمى هيدروشار، أثرا سلبيا على نمو النبات عند إضافتها إلى التربة. ومن المفترض أن يحدث هذا التأثير بسبب المركبات السامة النباتية الممتزة. بسيطة بعد العلاج في ظل الغلاف الجوي الخامل (عدم وجود الأكسجين) في 275 درجة مئوية يزيل هذه المواد. لذلك، يتم وضع هيدروشار الخام على فريت الزجاج من مفاعل الكوارتز أنبوبي عمودي. يتم تطبيق تدفق غاز النيتروجين في اتجاه التدفق الأسفل. يتم تسخين الأنبوب إلى درجة الحرارة المطلوبة عن طريق عباءة التدفئة لمدة تصل إلى ساعة واحدة.
يتم قياس نجاح المعالجة الحرارية بسهولة عن طريق قياس الجاذبية الحرارية (TG)، التي أجريت في الهواء. يتم تحديد فقدان الوزن عند الوصول إلى درجة حرارة 275 درجة مئوية، حيث أن المحتوى المتطاير هو desorbed. يتم تخفيض مقداره في المواد النهائية، بالمقارنة مع هيدروشار غير المعالجة.
وتحوّل المعالجة المكونة من خطوتين بقايا الأسر المعيشية، بما في ذلك الأكياس القابلة للتركيب المستخدمة في جمعها، إلى مادة كربونية يمكن أن تكون بمثابة مروج لنمو النباتات، وفي الوقت نفسه، كبالوعة كربون للتخفيف من آثار تغير المناخ.
Introduction
الكربنة الحرارية المائية (HTC) هي تكنولوجيا ناشئة لإدارة النفايات من الموارد الرطبة، lignocellulosic. تم إعادة اكتشاف هذه التكنولوجيا من قبل أنتونيتي وتيتيريتشي وتطبيقها على إبر الصنوبر والصنوبر وأوراق البلوط وقشور البرتقال1. وبالتالي، يتم تحويل الكتلة الحيوية إلى هيدروشار،وهو صلب كربوني مماثل للليغنيت 2،3 أو الجفت4،5. ومنذ ذلك الحين، قامت العديد من المواد الوسيطة المتبقية بمعالجة مثل النفايات الزراعية الصناعية6و7و8، والكسر العضوي للنفايات الصلبة البلدية (OFMSW)9،أو الحمأة مطحنة الورق10. وتستخدم هذه التكنولوجيا أيضا كعلاج مسبق للكتلة الحيوية للانحلال الحراري والتغويز11. وبالإضافة إلى ذلك، يوفر الإجراء مواد التكنولوجيا النانوية الحديثة من الموارد المتجددة متجانسة مثل السكريات أو السليلوز. هذه المواد المتقدمة لديها القدرة على التطبيقات المستقبلية كأقطاب للبطاريات القابلة لإعادة الشحن، خلايا الوقود أو المكثفات الفائقة، تخزين الغاز، أجهزة الاستشعار أو تسليم المخدرات12،13.
هيدروشار هو مادة كربونية، وبهذه الحالة يمكن استخدامه كوقود صلب متجدد، خاصة عندما ينتج من موارد منخفضة القيمة وغير متجانسة ذات تكوين متغير (موسمي أو إقليمي). غير أن إنتاج الهيدروشار وتطبيقه على التربة، بدلاً من احتراقه الفوري، سيكون له إسهام ثلاثي في التخفيف من آثار تغير المناخ. أولا، اختيار HTC كتكنولوجيا إدارة النفايات يتجنب انبعاث غاز الدفيئة قوية الميثان خلال السماد أو التحلل غير المنضبط14،15. ثانياً، تجنب احتراق الهيدروشار بعد فترة قصيرة من الزمن وتطبيقه على التربة، ويزيل ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي لفترة أطول من الزمن، أي أنه يتكون من احتجاز الكربون وتخزينه الحقيقي (CCS)16و17. ثالثاً، بصفة عامة، التربة المعدلة شار هي التربة أكثر خصوبة (التربة السوداء) وزيادة نمو النبات. 18 سنة , (19) هذا يقلل من استخدام الأسمدة وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون المتصلة بإنتاجها، إلى جانب الحفاظ على الموارد. وعلاوة على ذلك، فإن النمو النباتي الإضافي يزيل المزيد من ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي.
على الرغم من أنه من الواضح تماما أن هناك العديد من الحجج الظاهرة لتطبيق هيدروشار على التربة، والمواد ينطوي على إزعاج: هيدروشار الخام لا يتصرف تماما كما biochar التي تنتجها الانحلال الحراري. هيدروشار لا يزيد بوضوح نمو النبات أو أسوأ من ذلك، في كثير من الأحيان أنه يسبب تأثير سلبي إلى حد ما20،21،22. ولذلك، لا يُشجَّع المزارعون على تطبيقه، بل أقل من ذلك على دفع المال مقابل ذلك. لحسن الحظ، يمكن تخفيف هذا العيب أو القضاء عليه. النهج الأسهل هو ببساطة الانتظار لدورة الزراعة الثانية22. أيضا الغسيل20،21،22،23 أو المشاركة في سماد24 هي علاجات ناجحة لهذا الغرض. ومع ذلك، فإن جميع هذه الإجراءات تتطلب وقتا ً أو تنتج تيارمائي يحتاج إلى مزيد من الرعاية.
في الآونة الأخيرة، وقد تبين أن هيدروشار الخام يمكن أن تخضع للينة الحرارية بعد المعالجة25. والهدف من هذا الإجراء هو ببساطة desorb المواد المتطايرة والضارة غير المرغوب فيها. ويمكن أن يكون التدفق المركز الناتج عن المواد العضوية أساسا ً متثميناً حرارياً في الموقع. على هذا النحو، يتم تحسين توازن الطاقة من محطة HTC ويتم منع أي خطر بيئي من تيار الجانب. تظهر اختبارات الإنبات أن العلاج ناجح عند تنفيذه في درجات حرارة 275 درجة مئوية أو أعلى.
وينطوي هذا البروتوكول (انظر الشكل1) على خطوتين للرد وطريقة تحليلية مباشرة لتقييم نتائج رد الفعل. خلال الخطوة الأولى، يتم تحويل الكتلة الحيوية إلى هيدروشار الخام في الأوتوكلاف في 215 درجة مئوية والضغط 21 بار. هنا، يتم استخدام بقايا الأسر ة كمواد البداية. وتشمل هذه جميع أنواع المواد النباتية مثل قشور الفاكهة، وأحجار الفاكهة، وقطع الخضروات غير الصالحة للأكل، وأراضي القهوة، ورقة المطبخ، وأكياس بلاستيكية قابلة للتركيب، الخ. يتم جمع المواد الكربونية عن طريق الترشيح والمجففة. أما بالنسبة للخطوة الثانية، فهي توضع على فريت زجاجي لمفاعل أنبوبي عمودي يطبق تدفق الغاز في اتجاه التدفق التنازلي. يتم تسخين الأنبوب إلى 275 درجة مئوية لمدة 1 ساعة. يتم تحليل الصلبة الناتجة عن طريق قياس الجاذبية الحرارية (TG) في الهواء. والخسارة المادية التي تصل إلى 275 درجة مئوية كمية وتقارن بالخسارة التي لوحظت بهيدروشار غير المعالجة. ويمكن أن تتميز مادة الكربون كذلك بتحليل عنصري (C, H, N, and S), محتوى الرماد وتكوين الرماد (أساسا كاليفورنيا, آل, Si, و P).
Protocol
1 - الكربنة الحرارية المائية لمخلفات الأسر المعيشية
- حساب الكميات المناسبة من الماء والكتلة الحيوية لخليط التفاعل.
- يجب على خليط التفاعل ملء نصف حجم الأوتوكلاف. افترض أن كثافة الخليط حوالي 1 غرام /مل وحساب الكميات حسب الوزن. حوالي 80٪ wt ينبغي أن يكون الماء وبقية المادة الصلبة. المحتوى المائي العام ليس حاسماً وقد يتراوح بين 70 و85 في المائة.
- حدد الكتلة الحيوية من بقايا المطبخ مثل قشور الفاكهة أو أجزاء الخضروات غير الصالحة للأكل. بهدف حساب رصيد الكتلة الدقيق للقسم 1، قم بتجفيف عينة من الكتلة الحيوية عند 100-105 درجة مئوية في الفرن لمدة 2 ساعة أو بين عشية وضحاها. الكتلة التي تم الحصول عليها هي المادة الصلبة للكتلة الحيوية. بدلاً من ذلك، استخدم بيانات الكتابات (يتم تقليل الدقة).
- حساب كم الكتلة الحيوية الرطبة المطلوبة لشحن الأوتوكلاف مع 20 الوزن٪ من المواد الصلبة وكم من الماء هو أن يتم إدخال معها. حساب كمية المياه المطلوبة للوصول إلى كمية المياه المطلوبة في المفاعل.
- شحن الأوتوكلاف.
تحذير: يجب توفير الأوتوكلاف مع قرص تمزق مع ضغط انفجار من 50 بار.- وزن الكتلة الحيوية والماء كما هو محسوب في الخطوة 1.1.3 وإدخال كليهما في الأوتوكلاف.
- أغلق الأوتوكلاف وضغطت عليه مع النيتروجين تصل إلى 20 بار. تأكد من عدم وجود خسارة ضغط أكثر من 30 دقيقة. وهذا يضمن أن السفينة مغلقة بشكل صحيح دون أي تسرب. حرر الضغط وأغلق السفينة مرة أخرى.
- رد فعل الكربنة.
- قم بتشغيل التحريك. سخني الأوتوكلاف إلى 215 درجة مئوية في غضون 30 دقيقة وحافظي على درجة الحرارة لمدة 4 ساعات أو بين عشية وضحاها.
- رصد الضغط لأول 2 ح. بشكل عام، فإنه يتبع منحنى ضغط بخار الماء تصل إلى 21 بار. إذا لم يزيد الضغط، إما التدفئة لا يعمل بشكل صحيح، أو لا يتم إغلاق السفينة بشكل صحيح. إذا حدث هذا، وقف رد الفعل والتحقق من التدفئة وختم.
- في حالات نادرة، على سبيل المثال، إذا كانت الكتلة الحيوية عرضة للإزالة، قد يكون الضغط الأقصى 5-10 بار أعلى من شريط 21 الناجمة عن ضغط البخار في 215 درجة مئوية. إذا كان الضغط يتجاوز 35 بار، إيقاف التدفئة ومقاطعة رد الفعل. بعد أن يبرد إلى درجة حرارة الغرفة الإفراج بعناية الضغط المتبقية والبدء مرة أخرى من الخطوة 1.3.1.
- استعادة هيدروشار الخام.
- عندما تبريد الأوتوكلاف وصولا الى درجة حرارة الغرفة عن طريق التبريد الطبيعي، والإفراج بعناية عن أي ضغط المتبقية وفتح الأوتوكلاف.
- فصل الصلبة والسائلة عن طريق الترشيح فراغ مع قمع Buchner. التخلص من المرحلة السائلة كحل مائي بين النفايات المختبرية الخطرة.
- يُجفف المزيج بالكامل عند 100 إلى 105 درجة مئوية في فرن لمدّة 2 ساعة أو بين عشية وضحاها. حساب الرصيد الكتلي للخطوة الأولى، أي الكربنة الحرارية المائية (القسم 1). لهذا، تأخذ في الاعتبار الوزن الجاف للكتلة الحيوية والوزن الجاف للمنتج.
2. المعالجة الحرارية للهيدروشار الخام في وضع دفعة
- وزن 1 غرام من هيدروشار الخام الجاف ووضعها على فريت الزجاج من مفاعل الكوارتز أنبوبي (مفاعل دفعة).
- وبالنسبة للكميات الأكبر مثل 10 إلى 20 غرام، استخدم المواد الكويرة التي يبلغ حجم الجسيمات من 0.2 إلى 6 مم.
- وضع عباءة التدفئة من المفاعل وربط تيار النيتروجين أسفل التدفق من 20 مل / دقيقة. وضع كوب صغير تحت منفذ المفاعل لجمع السوائل المكثفة. التبريد غير مطلوب.
- يستنشق الغازات في المنفذ ونجريها إلى العادم أو وضع المفاعل بأكمله في غطاء العادم. سخني المفاعل إلى 275 درجة مئوية مع منحدر 10 درجة/دقيقة الحفاظ على درجة الحرارة لمدة ساعة واحدة.
- عندما يبرد إلى درجة حرارة الغرفة مرة أخرى، قطع تدفق الغاز. تخلص من السائل الذي تم جمعه في الكأس إلى المخلفات العضوية غير الهالوجنة. استعادة مادة الكربون ووزنه. حساب الرصيد الكتلي للقسم 2، أي المعالجة الحرارية، من الجماهير المستخدمة والحصول عليها، ولرد الفعل العام من الكتلة التي تم الحصول عليها في المعالجة الحرارية والكتلة الحيوية الجافة المستخدمة في خطوة الكربنة.
3. تحليل المنتج النهائي عن طريق قياس الجاذبية الحرارية (TG)
- سحق المنتج في هاون وتزن عينة 10 ملغ في بوتقة الجهاز.
- وضع بوتقة في autosampler من جهاز TG وحدد شروط التحليل: ضبط درجة الحرارة القصوى إلى 600 درجة مئوية واستخدام الهواء كغاز الاجتياح ومنحدر درجة الحرارة من 10 درجة / دقيقة.
- بدء التحليل.
- قياس الخسارة الجماعية عند 275 درجة مئوية في منحنى TG عن طريق حساب الفرق بين الوزن الأولي والوزن الذي لوحظ في درجة الحرارة هذه (انظر الشكل2). التعبير عن الخسارة الجماعية كنسبة مئوية من الوزن الأولي. مقارنة قيم العينات المعالجة والخام. ويلاحظ انخفاض واضح.
Representative Results
ويوفر هذا البروتوكول هيدروشار مناسب للتطبيقاتالزراعية في خطوتين (الشكل 1): الكربنة الحرارية المائية، يليها العلاج الحراري. في رد فعل الكربنة، يتم تحويل الكتلة الحيوية الليغنوسلولوسية الرطبة إلى مادة كربونية. يمكن تحديد نجاح رد الفعل عن طريق التفتيش البصري البسيط: العينة الصلبة يجب أن تتحول البني، وأكثر قتامة اللون البني، وأكثر تقدما رد فعل الكربنة. درجة الكربنة يعتمد على شدة رد الفعل، والتي يمكن أن تتأثر وقت رد الفعل؛ وقت رد فعل أطول، على سبيل المثال بين عشية وضحاها، يضمن نتيجة رد الفعل الأمثل. ويرتبط ارتفاع درجة الكربنة دائما إلى انخفاض الغلة الجماعية.
الضغط أثناء رد الفعل يجب أن تزيد إلى ما لا يقل عن 21 بار، وهو ضغط البخار autogenous في 215 درجة مئوية. ومع ذلك، فإن الضغط يزيد بشكل عام إلى ما يتجاوز هذه القيمة كما هو مبين في الجدول 1. ضغط رد الفعل هو بطريقة أو بأخرى لا يمكن التنبؤ بها ويعتمد على نوع من الكتلة الحيوية وحالة تدهورها. ومن المرجح أن تشكيل الغازات الدائمة، مثل ثاني أكسيد الكربون هو المسؤول عن زيادة الضغط وزيادة الضغط أثناء التفاعل (فيما يتعلق بضغط البخار من 21 بار) لا يزال بعد تبريد الأوتوكلاف (الجدول1 ; تقلص تتقلص عن طريق التكيف إلى انخفاض درجة الحرارة). وقد يكون لزيادة الضغط أثر سلبي على الغلة الجماعية للمادة الصلبة (يتم تحويل المواد الخام إلى ثاني أكسيد الكربون الغازي)، ولكن بصرف النظر عن ذلك، فإنه لا يضر بالهدف العام. وهناك حد واضح لزيادة الضغط هو الحد من سلامة جهاز التفاعل، على سبيل المثال، ضغط الاندفاع من قرص التمزق. التسريبات الصغيرة يمكن أن يكون السبب في عدم الوصول إلى الضغط 21 بار. ومع ذلك، يجب أن يصل الضغط إلى 15 بار على الأقل.
وينطوي العائد الكتلي للكربون على نطاق واسع يتراوح بين 30 و90 في المائةمن الوزن، وعادة ما يتراوح هذا الوزن بين 50 و65 في المائة (الجدول 1). عادة ما يكون العائد الشامل أعلى للمواد الخشبية مع محتوى أعلى من lignin وأقل لبوليمرات السكر النقي (polyacetals) مثل النشا. على سبيل المثال، لوحظ انخفاض الغلة للأوراق أو أكياس قابلة للتركيب. وبالإضافة إلى ذلك، تؤثر شدة رد الفعل على العائد الشامل. وكما سبق ذكره، فإن أوقات رد الفعل المطولة تقلل من الغلة الجماعية بالمقارنة مع الغلة التي تحصل عليها ردود الفعل القصيرة.
إذا رغبت في ذلك، يمكن أن تتميز هيدروشار الخام كيميائيا عن طريق تحليل عنصري26،27. وبالتالي، فإن محتوى الكربون يدل على درجة الكربنة. الكتلة الحيوية الليغنوسسيلوسيك لديها محتوى الكربون (على أساس الجافة وخالية من الرماد [daf]) من 45 الوزن٪. يمكن زيادة هذه القيمة إلى 60 أو 65٪ الوزن من قبل HTC. تشير القيم التي تزيد عن 65 في المائة إلى الكربنة المتقدمة بالفعل من حيث HTC. على سبيل المثال، انظر الجدول 2.
ويمكن استخدام الكتلة الأحيائية الليغنوسسيلوسيكية بوصفها "عينات نقية" للكربون الحراري المائي على النحو المبين في هذا البروتوكول. قد يكون هذا ذا أهمية خاصة لدراسة سلوك نوع معين من الكتلة الحيوية. ومع ذلك، في الممارسة العملية، تتم معالجة خليط من أنواع الكتلة الحيوية. ولذلك، استخدمت في هذا البروتوكول عينة من الهيدروشار من مصنع صناعي تجريبي. ويرد في الجدول 3موجز لخصائص هذا الهيدروشار.
وقد تم تنفيذ المعالجة الحرارية اللاحقة، الخطوة الثانية من هذا البروتوكول، في درجات حرارة مختلفة، في حدود 200 إلى 300 درجة مئوية، 275 درجة مئوية كونها درجة الحرارة اللازمة والكافية25. ويتضح من الجدول 4 أن الغلة الجماعية تنخفض على التوالي عندما ترتفع درجة الحرارة من 200 إلى 250 درجة مئوية و275 درجة مئوية و300 درجة مئوية تقريباً، ومن حوالي 90 في المائة إلى 73 في المائة من الوزن و74 في المائة و60 في المائة على التوالي. ومع ذلك، بسبب عدم تجانس الكتلة الحيوية، وغيرها من المساهمات المحتملة من مزيج بقايا المطبخ، وهذه القيمة ليست قابلة للاستنساخ بالكامل، وقد تختلف في نطاق من 70٪ إلى 80 الوزن٪ للعلاج في 275 درجة مئوية.
في كوب يوضع تحت منفذ المفاعل يتم جمع سائل بني، والذي يفصل إلى مرحلتين عند الوقوف: مرحلة مائية سفلية صفراء ومرحلة عضوية بنية داكنة علوية. ويتراوح العائد على السائل من 8 في المائة إلى 30 في المائة لدرجة الحرارة من 200 إلى 300 درجة مئوية،ويتراوح متوسط هـذا المعدل حوالي 20 في المائة للعلاج عند درجة حرارة 275 درجة مئوية (الجدول 4).
ويمكن ملاحظة أن التوازن الشامل للعلاج الحراري لا يصل إلى 100 الوزن٪، ولكن يلخص ما يصل إلى 90 إلى 95 الوزن٪. ربما تشكيل 5 إلى 10 الوزن٪ من ثاني أكسيد الكربون، التي تنتجها decarboxylation، هو السبب في هذه الفجوة. وبالإضافة إلى ذلك، لا تتكثف المركبات المتطايرة مثل المياه تماما مع إعداد رد الفعل.
يمكن تحليل المنتج النهائي للسمية النباتية عن طريق اختبار الإنبات Zucconi28. وباختصار، تتعرض البذور لمستخلصات مائية ويتم تحديد التأثير على نمو الجذر كمياً (بعد عدة أيام أو أسابيع). هنا، يتم استخدام تحليل مباشر وقياسي للتقييم السريع لنتائج رد الفعل، أي التحليل عن طريق قياس الجاذبية الحرارية (TG). بموجب هذا، تتعرض عينة صغيرة لتدفق الهواء في درجة حرارة متزايدة (على سبيل المثال، تصل إلى 600 درجة مئوية) ويتم رصد خفض الوزن.
يتم عرض الرسوم البيانية TG النموذجية لعينات هيدروشار مختلفة في الشكل2. يبدأ الخسارة الشاملة للهيدروشار الخام في حوالي 200 درجة مئوية وتصل إلى ما يقرب من 50٪ في 300 درجة مئوية. بالنسبة للعينة المعالجة عند 200 درجة مئوية أثناء الخطوة 2، تبدأ الخسارة الجماعية مرة أخرى عند 200 درجة مئوية، ولكن عند 300 درجة مئوية 70% لا تزال قائمة. العينات المعالجة في درجة حرارة أعلى خلال الخطوة 2 تبدأ في فقدان الكتلة أثناء تحليل TG في درجة حرارة أعلى وحوالي 90٪ لا يزال عند 300 درجة مئوية. وبالتالي، يمكن أن نرى أن فقدان المواد المتطايرة بين 200 و 300 درجة مئوية يتم تقليلعند مقارنة واحد للعينات المعالجة مع هيدروشار الخام. وكان القضاء على هذه المواد المتطايرة الهدف من المعالجة الحرارية والأسلوب التحليلي يؤكد نجاحها بشكل لا لبس فيه28.
وللتقدير الكمي، يمكن تحديد الخسارة الجماعية عند درجة حرارة 275 درجة مئوية باستخدام الرسم البياني TG (الشكل2). في الشكل3، يعرض الشريط بأكمله الخسارة الجماعية لعينة الهيدروشار غير المعالجة (34.6 الوزن٪). بعد العلاج عند 200 درجة مئوية، كانت الخسارة الجماعية 17.1 الوزن٪ من الكتلة الإجمالية في ظل الظروف التحليلية المحددة. ويقابل ذلك انخفاض المحتوى المتقلب بمقدار 17.5 نقطة مئوية فيما يتعلق بهيدروشار الخام. بعد العلاجات في 250، 275 و 300 درجة مئوية، كان فقدان الكتلة المقابلة 6.01، 5.17، و 4.22 الوزن٪ من الكتلة الإجمالية، على التوالي. ويمكن استنتاج أن العلاج عند 200 درجة مئوية أزال 50٪ من هذه التطايرات، وواحد في 250 درجة مئوية إزالة أكثر من 80 الوزن٪. زيادة درجة الحرارة الأخرى الناجمة عن تغييرات صغيرة فقط.
الشكل 1: الوصف التخطيطي للبروتوكول.
يتم تحويل مخلفات الكتلة الحيوية الليغنوسسيلوسية التي تنتجها الأسر عن طريق الكربنة الحرارية المائية (HTC) إلى هيدروشار الخام التي يتم تقديمها إلى عملية الانتهاء التي تتكون من المعالجة الحرارية في 275 درجة مئوية في غياب المياه. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: التحليل الحراري لعينات الهيدروشار.
وتظهر المنحنيات فقدان الوزن عندما تعرضت هيدروشار الخام والعينات المعالجة في درجات حرارة مختلفة للهواء في درجة حرارة متزايدة. وقد استخدمت القيم التي لوحظت عند درجة حرارة 275 درجة مئوية للمقارنة بين أوجه الكفاءة في العلاجات في الشكل 3. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: فقدان الوزن حتى 275 درجة مئوية أثناء تحليل هيدروشار عن طريق قياس الجاذبية الحرارية.
تم تحليل هيدروشار الخام والعينات المعالجة في درجات حرارة مختلفة عن طريق قياس الجاذبية الحرارية (TG). ويتوافق الشريط بأكمله مع الكمية التي تم التخلص منها في الهيدروشار غير المعالج حتى 275 درجة مئوية أثناء التحليل من قبل TG (انظر الشكل 2). ويمكن تخفيض هذه الكمية عن طريق العلاجات الحرارية لعينات الهيدروشار: بحوالي 50 في المائة من الوزن، أي بنسبة 17.5 نقطة مئوية، عن طريق العلاج عند 200 درجة مئوية (اللون الأزرق)؛ آخر 11.1 نقطة مئوية من العلاج في 250 درجة مئوية (اللون الأحمر)؛ زيادة درجة الحرارة مرة أخرى من درجة حرارة العلاج تظهر فقط آثار الحد الأدنى، وهي 0.84 و 0.95 نقطة مئوية للعلاجات في 275 درجة مئوية (رمادي) و 300 درجة مئوية (البرتقال)، على التوالي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| عينه | الرطوبه | وأضاف المياه | مجموع المياه | الضغط (الساخنة / الباردة) | الغلة الصلبة (الجافة) | الغلة الصلبة (الجافة) | |
| المواد الخام | [ز] | [الوزن٪] | [ز] | [الوزن٪] | لا، لا، لا، لا، لا، لا | [ز] | [الوزن٪] |
| بقايا الفاكهة | |||||||
| قذائف الفستق | 5.00 5 | 7.0 | 10.1 | 69.5 | 22/0 | 2.28 | 49 |
| أحجار الزيتون | 5.10 | 7.0 | 10.1 | 69.5 | 31/9 | 2.55 | 55 |
| نواة المشمش | 8.74 | 11.5 | 3.33 | 35.9 | 26/13 | 2.56 | 33 |
| أحجار البرقوق | 4.95 | 33.6 | 10.2 | 78.3 | 28/9 | 2.11 | 64 |
| أحجار الكرز | 7.61 | 45.8 | 4.03 | 64.6 | 30/10 | 2.62 | 64 |
| أحجار نيسبيرو | 10.7 | 53.0 | 2.41 | 61.6 | 40/14 | 2.57 | 51 |
| أحجار الرحيق | 9.65 | 48.6 | 5.44 | 67.1 | 27/10 | 3.30 | 67 |
| الموز الجلد | 15.2 | 89.0 | 2.27 | 90.4 | 25/9 | 0.93 | 56 |
| البطيخ الجلد | 16.1 | 87.4 | 2.32 | 89.0 | 24/8 | 0.64 | 32 |
| الأناناس الأساسية | 15.5 | 86.1 | 2.15 | 87.8 | 26/9 | 1.30 جنيه | 60 |
| بقايا الخضروات والنباتات والمواد العشبية | |||||||
| أوراق النخيل | 12.6 | 55.1 | 2.17 | 61.7 | 42/17 | 4.95 | 87 |
| شجرة النخيل | 15.0 | 78.5 | 2.11 | 81.2 | 23/4 | 1.47 | 45 |
| أوراق أناناس | 15.4 | 78.4 | 1.74 1.74 | 80.6 | 21/8 | 1.00 | 30 |
| حديقة القهوة | 10.8 | 60.9 | 5.08 | 73.4 | 20/9 | 2.73 | 65 |
| أوراق أرتيشوك | 15.1 | 80.2 | 2.18 | 82.7 | 31/9 | 1.53 | 51 |
| أوراق الخس | 15.3 | 91.3 | 1.77 1.77 | 92.2 | 20/5 | 0.39 | 29 |
| أوراق كالسوت | 15.0 | 72.7 | 2.80 | 77.0 | 29/11 | 1.54 1.54 | 38 |
| حبات بين | 15.1 | 82.6 | 2.30 | 84.9 | 31/4 | 1.43 | 55 |
| أكياس قابلة للتركيب | |||||||
| حقيبة قابلة للتركيب للاستخدام اليومي | 5.01 | صفر | 10.0 | 66.7 | 20/4 | 2.08 | 42 |
| كيس للسماد | 2.50 | صفر | 5.00 5 | 66.7 | 16/3 | 0.92 | 37 |
| كبسولة قهوة قابلة للتركيب (مع أراضي القهوة) | 5.56 | 31.4 | 8.05 | 72.0 | 26/7 | 130 | 31 |
الجدول 1: البيانات التجريبية للكربون الحراري المائي.
كميات من المواد الصلبة والمياه المستخدمة لردود الفعل وغلة هيدروشار الحصول عليها. تشير قيمة الضغط إلى أقصى ضغط لوحظ عند تسخينه إلى 215 درجة مئوية (ساخن) وبعد تبريد الأوتوكلاف إلى درجة حرارة الغرفة (الباردة).
| C (daf) | H (daf) | N (daf) | S (daf) | |
| المواد الخام | [الوزن٪] | [الوزن٪] | [الوزن٪] | [الوزن٪] |
| بقايا الفاكهة | ||||
| قذائف الفستق | 68.0 | 4.66 | 0.34 | 0.00 000 |
| أحجار الزيتون | 70.0 | 5.97 | 0.81 | 0.00 000 |
| نواة المشمش | 68.6 | 6.16 | 2.21 | 0.00 000 |
| أحجار البرقوق | 69.8 | 6.44 | 1.48 | 0.01 |
| أحجار الكرز | 67.4 | 5.52 | 13 على كل شيء | 0.00 000 |
| أحجار نيسبيرو | 67.1 | 5.47 | 1.90 | 0.03 |
| أحجار الرحيق | 68.8 | 5.39 | 0.88 | 0.04 |
| الموز الجلد | 71.7 | 6.41 | 2.91 | 0.06 |
| البطيخ الجلد | 69.1 | 6.24 | 2.56 | 0.08 |
| الأناناس الأساسية | 68.3 | 5.33 | 1.54 1.54 | 0.02 |
| بقايا الخضروات والنباتات والمواد العشبية | ||||
| أوراق النخيل | 63.7 | 6.47 | 2.65 | 0.20 |
| شجرة النخيل | 63.2 | 6.09 | 2.02 | 0.03 |
| أوراق أناناس | 60.0 | 6.52 | 2.24 | 0.11 |
| حديقة القهوة | 66.8 | 6.63 | 3.54 | 0.17 |
| أوراق أرتيشوك | 63.2 | 5.77 | 3.28 | 0.13 |
| أوراق الخس | 57.8 | 6.09 | 3.48 | 0.18 |
| أوراق كالسوت | 63.9 | 5.82 | 3.79 | 0.55 |
| حبات بين | 68.0 | 6.17 | 4.18 | 0.14 |
| أكياس قابلة للتركيب | ||||
| حقيبة قابلة للتركيب للاستخدام اليومي | 56.8 | 55 5.15 | 0.09 | صفر |
| كيس للسماد | 61.1 | 5.38 | 0.09 | صفر |
| كبسولة قهوة قابلة للتركيب (مع أراضي القهوة) | 60.5 | 5.57 | 2.56 | صفر |
الجدول 2: التحليل الأولي لعينات الهيدروشار.
| الخاصيه | وحده | قيمه |
| محتوى الرماد (أساس جاف؛ 815 درجة مئوية) | [الوزن٪] | 12.9 |
| التطايرات (أساس الجفاف؛ 900 درجة مئوية) | [الوزن٪] | 66.4 |
| الكربون الثابت (أساس جاف) | [الوزن٪] | 20.8 |
| C (daf) | [الوزن٪] | 66.1 |
| H (daf) | [الوزن٪] | 7.4 |
| N (daf) | [الوزن٪] | فى نهاية الـ 5.0 |
| S (daf) | [الوزن٪] | 0.2 |
الجدول 3: تحليل الإكسيميت والتحليل الأولي لعينة الهيدروشار المستخدمة في العلاجات الحرارية
| العائد | العائد | |||||||||||||
| الكتلة الأولية (هيدروشار) | درجه الحراره | الكتلة النهائية (هيدروشار) | كتلة السائل | Af | عدد ال: | التوازن الشامل | العائد الصلبة | العائد السائل | Af | عدد ال: | ||||
| ادخال | [ز] | [درجة مئوية] | [ز] | [ز] | [ز] | [ز] | [%] | [الوزن٪] | [الوزن٪] | [الوزن٪] | [الوزن٪] | |||
| 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 جنيه | 5.78 | 95.6 | 73.5 | 22.1 | 3.29 | 18.8 | |||
| 4 | 15.7 | 200 | 13.7 | 1.27 | 0.26 | 1.01 جنيه | 95.8 | 87.7 | 8.10 | 1.66 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 1.79 | 1.02 | 0.77 | 88.9 | 77.2 | 11.7 | 6.68 | 5.05 | |||
| (أ) نفذت مع هيدروشار المنتجة من تقليم الحديقة بدلا من OFMSW. | ||||||||||||||
الجدول 4: البيانات التجريبية المستمدة من العلاجات الحرارية.
بعد رد الفعل ، يتم استرداد الصلبة والسائل. فصل السائل على يقف داخل مائيّة ([أف]) وجزء عضويّة ([أف]). وتعزى الكمية المفقودة إلى تكوين الغاز الدائم، مثل ثاني أكسيد الكربون والتكثيف غير الكامل للمواد المتطايرة مثل المياه.
Discussion
الكربنة الحرارية المائية هي طريقة مرنة جدا ويوفر دائما منتج الكربونية، أي هيدروشار. ومع ذلك، قد تختلف غلة وخصائص الهيدروشار، ليس فقط بسبب ظروف التفاعل أو التحكم في التفاعل، ولكن بدلا من ذلك بسبب عدم تجانس وتباين الكتلة الحيوية. على سبيل المثال، قد يكون العائد الكتلي ومحتوى C أعلى للكتلة الحيوية الليغنوسسيلوسيك مع محتوى أعلى من lignin أو المواد الخشبية.
وفي حالة الرغبة في الحصول على درجة أعلى من الكربنة (التي يحددها التحليل الأولي)، يمكن إعادة إرسال الهيدروشار إلى رد فعل الكربنة. بدلا من ذلك، في ردود الفعل في المستقبل يمكن إطالة وقت رد الفعل أو يمكن زيادة درجة حرارة رد الفعل (الحذر، يزيد ضغط المياه autogenous أضعافا مضاعفة مع درجة الحرارة).
نتيجة المعالجة الحرارية تعتمد أيضا على تكوين المواد الخام. فعلى سبيل المثال، إذا كانت الكتلة الأحيائية تنطوي على مكونات عضوية أخرى مثل الزيوت النباتية، فإن المعالجة الحرارية ستفصل هذه المركبات المتطايرة عن الخسارة الصلبة والجماعية.
في هذا البروتوكول، يتم تنفيذ كلا الخطوتين في الوضع الدفعي. للتطبيق الصناعي، يجب أن يتم تنفيذ عملية الإنتاج برمتها في وضع مستمر. يتم تنفيذ الكربنة الحرارية المائية بالفعل كعملية مستمرة26،27، ولكن لا يزال يتعين تطوير المعالجة الحرارية أكثر من ذلك. والهدف النهائي هو تحويل نظام إدارة شؤون المرأة والمياه إلى مادة كربونية ذات خصائص الخث بحيث يزيد استخدام الخث (الذي يعتبر مادة أحفورية) في الزراعة والبستنة مع فوائد واضحة للبيئة وكمساهم في المناخ تغيير التخفيف.
Disclosures
ماريسا هيرنانديز وبورجا أوليفر توماس هم من موظفي Ingelia SL التي أنتجت عينات هيدروشار المستخدمة في هذه المقالة. ماريا كونسويلو هيرنانديز سوتو، إستيفانيا بونس، ومايكل رينز ليس لديهم ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
ويعرب المؤلفون عن امتنانهم للدعم المالي الذي تلقته من المفوضية الأوروبية في إطار برنامج "شارم" و"أدفشارم" التابعين لبرنامج "المناخ- KIC" ومن وزارة العلوم والابتكار والجامعات الإسبانية في إطار RTC-2017-6087-5 من "Investigación" برنامج ديسارو إي إينوفاسيون أورينتادا ولوس ريوس دي لا سوسيداد وفي إطار برنامج سيفيرو أوتشوا (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).
