ويقدم بروتوكول لاستنفاد سلائف الانبعاثات من الكتلة الاحيائيه المنخفضة الجودة بواسطة الموجات الصغريه المنخفضة الحرارة التي تساعد في معالجه الكربون الحراري المائي. يتضمن هذا البروتوكول معلمات الميكروويف وتحليل المنتج الحيوي والمياه المعالجة.
الكتلة الحيوية هي وقود مستدام ، حيث يتم أعاده دمج انبعاثات CO2 في نمو الكتلة الحيوية. ومع ذلك ، فان السلائف غير العضوية في الكتلة الحيوية تسبب تاثيرا سلبيا علي البيئة وتشكيل الخبث. المختارة قصيرة التناوب اجمه (SRC) خشب الصفصاف لديه محتوي الرماد عاليه (= 1.96 ٪) التالي ، ارتفاع محتوي الانبعاثات والسلائف الخبث. ولذلك ، يتم التحقيق في الحد من المعادن من الخشب الصفصاف SRC بدرجه حرارة منخفضه الميكروويف بمساعده الكربون الحرارية (MAHC) في 150 درجه مئوية ، 170 درجه مئوية ، و 185 درجه مئوية. ميزه من [مهك] علي مفاعلات تقليديه يتساوى درجه حرارة [كندوتنس] في الرد فعل وسيطه, بما ان أفران ميكروويف يخترقون الكاملة مفاعله حجم. وهذا يسمح بالتحكم في درجه الحرارة بشكل أفضل وسرعه التهدئة. ولذلك ، يمكن تحليل تعاقب التحلل ، والتحول وتفاعلات أعاده البلمره بشكل فعال. في هذه الدراسة ، وتحليل الخسارة الجماعية ، ومحتوي الرماد وتكوينها ، وقيم التدفئة والمولي O/C و H/C نسب المعالجة وغير المعالجة من خشب الصفصاف SCR وأظهرت ان المحتوي المعدني للفحم MAHC تم تخفيض وزيادة قيمه التدفئة. وأظهرت المياه عمليه انخفاض درجه الحموضة والواردة فورفورال و 5-ميثيلفورفورال. وأظهرت درجه حرارة العملية من 170 درجه مئوية أفضل مزيج من مدخلات الطاقة والحد من مكون الرماد. ويسمح البرنامج بفهم أفضل لعمليه الكربون الحراري المائي ، في حين ان التطبيق الصناعي الواسع النطاق غير محتمل بسبب ارتفاع تكاليف الاستثمار.
استخدمت أجهزه الميكروويف للتفحيم الحراري المائي (mahc) للتحول الكيميائي الحراري للمركبات نموذج الكتلة الحيوية مثل الفركتوز ، الجلوكوز1،2 أو السليلوز3، ولركائز العضوية ، يفضل النفايات المواد4،5،6،7،8،9،10. استخدام أفران الميكروويف مفيد لأنه يسمح للتدفئة حتى من الكتلة الحيوية المعالجة2,10 أساسا من خلال الخسائر الحرارية من مذيب عازل11,12, علي الرغم من ان الأفران الميكروويف تفعل لا نقل ما يكفي من الطاقة لكسر مباشره السندات الكيميائية وحث ردود الفعل13. الميكروويف تخترق حجم التفاعل كله من سفينة المفاعل HTC ونقل الطاقة مباشره إلى المواد ، والتي ليس من الممكن مع مفاعل التقليدية التي تظهر معدل التسخين إبطا بسبب قدره التدفئة عاليه من الغلاف الصلب عينه نفسها14. الاثاره حتى من جزيئات الماء العينة بواسطة أفران الميكروويف يسمح بتحسين عمليه التحكم ، كما يتم توزيع درجه الحرارة في مفاعل الميكروويف بالتساوي11،14،15 و تباطؤ بعد رد الفعل هو أسرع بكثير. وعلاوة علي ذلك ، تسخين المفاعلات التقليدية إبطا بكثير والتفاعلات الكيميائية التي تحدث اثناء التسخين يمكن ان التحيز النتائج التي يتم تعيينها عاده إلى درجه الحرارة النهائية. التحكم المحسن في العملية في مفاعل MAHC يمكن من التفصيل الدقيق لدرجه الحرارة التبعية لتفاعلات HTC المختارة (علي سبيل المثال ، الجفاف أو دياربوككسيل). ميزه أخرى للتوزيع درجه الحرارة حتى في حجم المفاعل HTC هو التصاق اقل من الجزيئات المعباه والكربونية تماما علي جدار المفاعل الداخلي2. ومع ذلك ، المياه ليست سوي الميكروويف امتصاص المتوسط المذيبات التي تظهر حتى تناقص الامتصاص الميكروويف في درجات حرارة اعلي ، مما يحد من درجه الحرارة القصوى التي يمكن تحقيقها. يتم تعويض هذا التاثير السلبي عندما يتم إنتاج الأحماض اثناء عمليه HTC أو المحفزات (الأنواع الايونيه أو القطبية) تضاف قبل العلاج. ردود الفعل الناجمة عن الميكروويف تظهر اعلي غله المنتج في عام11,15 وعلي وجه التحديد من 5-هيدروكسيميثيلفورفورال (5-hmf) من الفركتوز بالمقارنة مع الرمال-سرير ردود الفعل المحفزة12. لديهم أيضا أفضل بكثير توازن الطاقة ثم أساليب التدفئة التقليدية15,16.
والمفهوم الكيميائي الأساسي للكربوكربون الحرارية المائية هو تدهور الكتلة الاحيائيه والالبلمره المتعاقبة. في سياق هذه التفاعلات المتفاعلة المعقدة يتم استنزاف الانسجه من الأكسجين ، مما يزيد من قيمه التسخين. في البداية ، وتحلل البوليمرات هيميسيلولوز والسليلوز إلى مونومرات السكر17، علي الرغم من درجات الحرارة المنخفضة تؤثر أساسا علي هيميسيلولوز18،19،20،21. في هذه المرحلة المبكرة من ردود الفعل HTC ، تتشكل الأحماض العضوية من التحول من الديهيديس السكر و deاسيتيل من hemicellulose. هذه الأحماض يمكن ان تكون الخل ، اللبنيك ، ليفيوليتش ، الأكريليك أو حمض الفورميك20،21،22 وانها تقلل من درجه الحموضة من الماء رد فعل في المفاعل. بسبب التفكك ، فانها تشكل الأيونات السالبة الحرة التي تزيد من المنتجات الايونيه في المياه العملية. ويتيح المنتج الأيوني المتزايد حل التكتلات التي تشكل المكونات الرئيسية للرماد في الكتلة الحيوية. وبهذه اليه ، يستنفد النسيج من سلائف الانبعاثات والخبث (مثل البوتاسيوم والصوديوم والكالسيوم والكلور والفلزات الثقيلة)23و24.
الأحماض العضوية المشكلة يمكن ان تدعم الجفاف من مونومرات السكر إلى الفوران. وهناك منتج الجفاف السكر المشترك هو فورفورال و 5-هيدروكسيميثيلفورفورال ، والتي هي منتجات مجديه للصناعة الكيميائية ، لأنها تعمل كمنتجات منصة (علي سبيل المثال ، لتوليف البوليمرات البيولوجية). 5-ميثيلفورفورال يمكن تشكيلها من قبل ردود الفعل المحفزة من السليلوز25،26 أو 5-هيدروكسي ميثيل فورفورال27. في حين ان التوليف بوليمر هو أعاده البلمره الاصطناعية تحت ظروف خاضعه للرقابة ، والفوران يمكن أيضا ان تتكثف ، تتبلمر وتشكل الهياكل العطرية عاليه الوزن الجزيئي في البيئة الكيميائية المعقدة للمفاعل MAHC. التفاعل من المركبات العضوية وغير العضوية solubilized مع مصفوفة خليه الخشب المعدلة أضافه إلى تعقيد نظام رد الفعل20. مسارات تفاعل البلمره الفوران توظف التكثيف ادورو أو/والجفاف بين الجزيئات18,20 والغلة الجسيمات هيدروشار مع قذيفة مسعور وأكثر الاساسيه هيدروفيلييك28. ولم يكشف بعد عما إذا كانت جزيئات الكتلة الحيوية متحللة تماما ثم ريبوليميريزيد أو إذا كانت جزيئات الكتلة الحيوية تشكل نموذجا للتفحيم. ومع ذلك ، فان ردود الفعل تدهور والتحلل تشمل الجفاف وردود الفعل نزع الكربوكسيل ، وكذلك29،30، والذي يدفع قطره في الرسم التخطيطي فان krevelen نحو النسب س/ج و ح/ج من الكربون الأسود.
في حين أثبتت دراسات أخرى المعدنية الحد من تاثير المفاعل التقليدية القائمة علي المعالجة الحرارية المائية31، من غسل المياه مع الجمع بين الرشح الميكانيكية32 أو المياه/خلات الأمونيوم/الهيدروكلوريك حمض الغسيل33، لدينا دراسات التحقيق في الرشح المعدنية خلال درجات الحرارة المنخفضة الكربون مع أفران الميكروويف للمرة الاولي. ونظرا لان هذه الدراسة تركز علي الرشح لانبعاثات السلائف لرفع مستوي الوقود ، فانها تحقق في مصير البوتاسيوم والصوديوم والمغنيسيوم والكالسيوم والكلور والكبريت والنيتروجين والمعادن الثقيلة. تشكل سلائف الغبار الدقيقة أملاحا متطايرة (مثل KCl أو K2SO4) عند درجات حرارة مرتفعه في المرحلة الغازية. وعندما تتراكم هذه الأملاح في غاز المداخن ، يمكن للمعادن الثقيلة مثل الزنك ان تقوم بكنسها كجزيئات نواه ، الأمر الذي يؤدي إلى تفاعل سلسله نمو الجسيمات. في درجات الحرارة المنخفضة لغاز المداخن ، يزيد تكاثف الملح من نمو الجسيمات وينتج عنه انبعاث غبار ناعم من المدخنة. وهذه الانبعاثات هي في الوقت الحاضر العامل الرئيسي الذي يقوض استدامه وقود الكتلة الاحيائيه. ويعتمد الإمداد بالطاقة المستدامة علي تخفيضها بواسطة المرشحات المكلفة أو تخفيضها في الوقود (علي سبيل المثال ، من قبل MAHC). وبما ان هذه الدراسة تتبع نهجا عمليا ، فقد اختيرت أخشاب الصفصاف بالتناوب القصير (SRC) كمواد وسيطه حيوية محتمله ذات معدلات نمو مرتفعه. ويمكن زراعتها من قبل المزارعين في حقولهم من أجل إمدادات الطاقة المستدامة ذاتيا عن طريق التحويل إلى غاز ، ولكن أيضا لتوليد الحرارة عن طريق الاحتراق المباشر. عيب الصفصاف SRC هو محتواه النباح عاليه بسبب انخفاض الجذعية: نسبه النباح في مرحله ناضجه. لحاء يحتوي علي الكثير من المعادن بالمقارنة مع الخشب34،35،36،37 وغله كميات اعلي من الغاز أو الجسيمات الانبعاثات38. انخفاض درجه الحرارة HTC يمكن تحسين خصائص الاحتراق من الخشب الصفصاف SRC ، التالي ، تسهم في الحرارة المستدامة وإمدادات الطاقة. معلمه أخرى هامه لل HTC بيوال التحقيق في هذه الدراسة هو كثافة الطاقة ، وارتفاع درجه حرارة الاحتراق الاولي وارتفاع درجه حرارة الاحتراق النهائي39.
وتسمح هذه المادة بالتفريق بين خطوات التحلل الكيميائي من خلال تطبيق كثافات مختلفه من المعالجة الحرارية. ولذلك ، فمن الممكن لتقييم التفاعلات بين الخسارة الجماعية ، O/C-H/C نسبه ، وقيمه التدفئة ، والحد من مكون الرماد ، وزيادة درجه الحموضة في المياه عمليه وتراكم الفوران في عمليه المياه. ويستند ا…
The authors have nothing to disclose.
ويود المؤلفون ان يشكروا كريستوف وارث ، ومايكل روس ، وكارولا ليبسكي ، وجوليان تيخادا ، والدكتور راينر كيرشوف علي دعمهم الفني. تم تمويل الدراسة من قبل BMBF (مشروع BiCoLim-بيو-للاحتراق Limpios) تحت المنحة رقم 01DN16036.
5MS non-polar cloumn | Thermo Fisher Scientific,Waltham, USA | TraceGOLD SQC | GCMS |
9µm polyvinylalcohol particle column | Methrom AG, Filderstadt, Germany | Metrosep A Supp 4 -250/4.0 | Ion chromatography |
argon | Westfalen AG, Münster, Germany | UN 1006 | ICP-OES |
calorimeter | IKA-Werke GmbH & Co.KG, Stauffen, Germany | C6000 | higher and lower heating value |
centrifuge | Andreas Hettich GmbH & Co.KG, Germany | Rotofix 32 A | |
centrifuge mill | Retsch Technology GmbH, Haan, Germany |
ZM 200 | |
ceramic dishes | Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany | XX83.1 | Ash content |
cutting mill | Fritsch GmbH, Markt Einersheim, Germany | pulverisette 19 | |
D(+) Glucose | Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany | X997.1 | higher and lower heating value |
elemental analyzer | elementar Analysesysteme GmbH, Langenselbold, Germany | varioMACRO cube | elemental analysis |
exicator | DWK Life Sciences GmbH, Wertheim, Germany | DURAN DN300 | Ash content |
GC-MS system | Thermo Fisher Scientific,Waltham, USA | Trace 1300 | GCMS |
hydrochloric acid | Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany | HN53.3 | ICP-OES |
ICP OES | Spectro Analytical Instruments GmbH, Kleve, Germany | Spectro Blue-EOP- TI | ICP-OES |
Ion chromatograph | Methrom GmbH&Co.KG, Filderstadt, Germany | 833 Basic IC plus | Ion chromatography |
kiln dryer | Schellinger KG, Weingarten, Germany | ||
kiln dryer | Schellinger KG, Weingarten, Germany | Ash content | |
mesh filter paper | Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany | L874.1 | ICP-OES |
microwave oven | Anton Paar GmbH, Graz, Austria | Multiwave Go | |
muffel furnance | Carbolite Gero GmbH &Co.KG, Neuhausen, Germany | AAF 1100 | Ash content |
nitric acid | Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany | 4989.1 | ICP-OES |
oxygen | Westfalen AG, Münster, Germany | UN 1072 | higher and lower heating value |
pH-meter | ylem Analytics Germany Sales GmbH & Co. KG, Weilheim,Germany | pH 3310 | pH |
sample bag | IKA-Werke GmbH & Co.KG, Stauffen, Germany | C12a | higher and lower heating value |
Standard Laboratory Vessels and Instruments | |||
standard samples | Bernd Kraft GmbH, Duisburg, Germany | ICP-OES | |
sulfonamite | elementar Analysesysteme GmbH, Langenselbold, Germany | SLBS4782 | elemental analysis |
teflon reaction vessels | Anton Paar, Austria | HVT50 | |
teflon reaction vessels | Anton Paar, Austria | HVT50 | ICP-OES |
tin foil | elementar Analysesysteme GmbH, Langenselbold, Germany | S12.01-0032 | elemental analysis |
tungstenVIoxide | elementar Analysesysteme GmbH, Langenselbold, Germany | 11.02-0024 | elemental analysis |
twice deionized water | Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany | ||
twice deionized water | Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany | higher and lower heating value | |
twice deionized water | Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany | ICP-OES |