JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

פרוטוקול עבור דלדול הפליטה מקודמן ביומסה באיכות נמוכה על ידי מיקרוגל טמפרטורה נמוכה בסיוע הידרותרמי טיפול בקרנון מוצג. פרוטוקול זה כולל את הפרמטרים של המיקרוגל ואת הניתוח של מוצר ביו-פחם והדפסת מים.

Abstract

ביומסה הוא דלק בר קיימא, כמו שיתוף הפליטות שלה2 משולבים מחדש בצמיחה ביומסה. עם זאת, מראש מקדם אורגניים ביומסה לגרום להשפעה סביבתית שלילית מערך הסיגים. הסיבוב הקצר שנבחר coppice (SRC) עץ ערבה יש תוכן אפר גבוהfigure-abstract-243 (= 1.96%) ולכן, תוכן גבוה של פליטה וסמני מקדים. לכן, הפחתת מינרלים מ-SRC עץ ווילו על ידי מיקרוגל טמפרטורה נמוכה בסיוע הידרותרמי (MAHC) ב 150 ° c, 170 ° c, ו 185 ° c נחקר. יתרון של MAHC על פני כורים קונבנציונליים הוא מוליכות טמפרטורה אפילו במדיום התגובה, כמו מיקרוגלים לחדור את נפח הכור כולו. זה מאפשר בקרת טמפרטורה טובה יותר cooldown מהר יותר. לכן, ניתן לנתח ביעילות רצף של פירוק, המרה ותגובות לשינוי צורה. במחקר זה, ניתוח של אובדן המוני, תוכן אפר והרכב, החימום ערכים ומשן טוחנת O/C ו H/C יחס של עץ ווילו SCR מטופלת ומטופל הראה כי התוכן המינרלים של פחם MAHC הופחת ואת ערך החימום גדל. המים בתהליך הראו pH יורד והכיל furfural ו 5-מתילfurfural. טמפרטורת התהליך של 170 ° c הראתה את השילוב הטוב ביותר של קלט אנרגיה והפחתת רכיב אפר. ה-MAHC מאפשר הבנה טובה יותר של תהליך הקרבון ההידרותרמי, בעוד שיישום תעשייתי בקנה מידה גדול אינו סביר בשל עלויות ההשקעה הגבוהות.

Introduction

היישום של מיקרוגלים עבור הידרותרמי הידרופנון (mahc) שימש לשינוי תרמוכימי של תרכובות מודל ביומסה כמו פרוקטוז, גלוקוז1,2 או תאית3, עבור מצעים אורגניים, עדיף פסולת חומר4,5,6,7,8,9,10. הניצול של מיקרוגלים הוא יתרון כפי שהוא מאפשר חימום אפילו של ביומסה שטופלו2,10 בעיקר באמצעות הפסדים תרמיים של מומס מדידות11,12, למרות מיקרוגלים לעשות לא להעביר מספיק אנרגיה כדי לשבור ישירות איגרות חוב כימיות ולגרום לתגובות13. מיקרוגלים לחדור את נפח התגובה כולו של כלי הכור HTC ולהעביר את האנרגיה ישירות לחומר, אשר אינו אפשרי עם הכור קונבנציונאלי המראה שיעור חימום איטי בשל קיבולת החימום הגבוה של המעטפת פלדה ה לדגום את עצמו14. הריגוש אפילו של מולקולות המים של המדגם על ידי מיקרוגלים מאפשר בקרת תהליך משופר, כמו הטמפרטורה בכור מיקרוגל מופץ באופן שווה11,14,15 ו cooldown לאחר . התגובה הרבה יותר מהירה יתר על כן, כורים קונבנציונליים לחמם הרבה יותר לאט ואת התגובות הכימיות המתרחשים במהלך החימום יכול להטיה התוצאות המוקצות בדרך כלל לטמפרטורה הסופית. בקרת תהליך משופר בכור MAHC מאפשר פירוט מדויק של תלות בטמפרטורה של תגובות HTC שנבחרו (למשל, התייבשות או decarboxylation). יתרון נוסף של התפלגות הטמפרטורה האפילו בנפח HTC-הכור הוא הדבקה התחתון של קיבוע וחלקיקים מפוחם לחלוטין על קיר הכור הפנימי2. עם זאת, המים הם רק מרכך ממוצע הסופג המיקרו כי אפילו מראה ירידה במיקרוגל ספיגה בטמפרטורות גבוהות יותר, אשר מגביל את הטמפרטורה המקסימלית השגה. השפעה שלילית זו מפוצה כאשר חומצות מיוצרות במהלך התהליך HTC או מזרז (מינים יוניים או קוטביים) נוספו לפני הטיפול. מיקרוגל המושרה התגובות להראות תשואות מוצר גבוה יותר באופן כללי11,15 ובמיוחד של 5-hydroxyמתילפוראל (5-hmf) מ פרוקטוז בהשוואה החול-מיטה התגובה לזרז12. יש להם גם איזון אנרגיה הרבה יותר טוב ואז שיטות חימום קונבנציונלי15,16.

המושג הכימי הבסיסי של הקרבון ההידרותרמי הוא השפלה והפלקות העוקבות של ביומסה. במהלך התגובות המורכבות הללו, הרקמה מרוקנת את החמצן, מה שמגביר את ערך החימום. בתחילה, פולימרים hemicellulose ו תאית הם ידרוליזה סוכר מונמרים17, אם כי טמפרטורות נמוכות משפיעות בעיקר על hemicellulose18,19,20,21. בשלב זה מוקדם של התגובות HTC, חומצות אורגניות נוצרות מטרנספורמציה של הסוכר אלהידס והדמרחלציה של hemicellulose. חומצות אלה יכול להיות אצטית, חומצת חלב, levulinic, אקרילי או חומצה פורמית20,21,22 והם מפחיתים את ה-pH של התגובה מים בכור. בשל הדיסוציאציה, הם יוצרים יונים שליליים בחינם המגבירים את מוצר היונים במים הזורמים. מוצר יון הולך וגובר מאפשר פתרון של הקטיונים, שהם המרכיבים העיקריים של האפר ביומסה. על ידי מנגנון זה, הרקמה מרוקנת מפני פליטה ומגבשי סיגים (למשל, אשלגן, נתרן, סידן, כלור ומתכות כבדות)23,24.

חומצות אורגניות שנוצרו יכול לתמוך התייבשות של מונמרים סוכר כדי furans. מוצר נפוץ התייבשות סוכר הוא furfural ו 5-hydroxyמתילפורואל, אשר הם מוצרים אפשריים עבור התעשייה הכימית, כפי שהם משמשים מוצרי פלטפורמה (למשל, לסינתזה של biopolymers). 5-מmethylfurfural ניתן ליצור על ידי תגובות מזרז מ תאית25,26 או 5-hydroxyמתילפוראל27. בעוד סינתזה הביופולימרים הוא מרפוליזציה מלאכותית תחת תנאים מבוקרים, furans יכול גם לדחוס, פולימור וטופס מבנים ארומטיים מולקולרית משקל גבוה בסביבה הכימית המורכבת של הכור MAHC. האינטראקציה של תרכובות אורגניות ואורגניים מסיסות עם מטריצה תא עץ שונה להוסיף את המורכבות של מערכת התגובה20. מסלולים התגובה הפילמור להעסיק עיבוי אלדול או/והתייבשות בין-מולקולרית18,20 ולהניב חלקיקים הידרוchar עם פגז הידרופובי וליבה הידרופילי יותר28. זה עדיין לא נחשף אם חלקיקי ביומסה הם מפורקת לחלוטין ולאחר מכן מרפוליזציה או אם חלקיקי ביומסה לשמש תבנית עבור הקרנון. עם זאת, את התגובות השפלה והסרת הרפוליזציה מהווים התייבשות ותגובות פירובט, כמו גם29,30, אשר מעורר את הירידה בדיאגרמת ואן הרבלאן לקראת O/c ו H/c יחסי של פחמן שחור.

בעוד מחקרים אחרים הוכיחו את המינרל הפחתת ההשפעה של הכור הקונבנציונלי המבוסס על טיפול הידרותרמי31, של מים כביסה עם טיפת מכני משולב32 או מים/אמוניום אצטט/חומצה הידרוכלורית כביסה33, ה מחקרים לחקור את המינרל טיפת בטמפרטורה נמוכה הקרנון עם מיקרוגל בפעם הראשונה. כמו מחקר זה מתמקד הפליטה מקודחי עבור שדרוג דלק, הוא חוקר את גורלם של אשלגן, נתרן, מגנזיום, סידן, כלור, גופרית, חנקן ומתכות כבדות. אבק דק מקדים את הטופס מלחים נדיפים (לדוגמה, KCl או K2SO4) בטמפרטורות גבוהות בשלב הגזי. כאשר מלחים אלה מצטברים בגז הארובה, מתכות כבדות כמו אבץ יכול לנקות אותם כמו חלקיקי הנוקלאוציה, אשר מוביל תגובת שרשרת הצמיחה חלקיקים. בטמפרטורה נמוכה יותר של גז הארובה, עיבוי מלח נוסף מפעיל את צמיחת החלקיקים ותוצאות פליטת אבק משובח של סרטן מהארובה. פליטות אלה הם בהווה הגורם העיקרי הפשרות הקיימות של דלקים ביומסה. אספקת אנרגיה בת קיימא נשענת על הפחתת מסננים יקרים או הפחתת שלהם דלקים (למשל, על ידי MAHC). כמו מחקר זה עוקב אחר גישה מעשית, קצר סיבוב coppice (SRC) עץ ווילו נבחר כאחד פוטנציאל bioenergy ההאכלה עם שיעורי צמיחה גבוהה. זה יכול להיות גדל על ידי חקלאים על השדות שלהם עבור ספק כוח עצמית קיימא על ידי הגפיקציה, אלא גם עבור דור חום על ידי בעירה ישירה. חיסרון של ווילו SRC הוא תוכן הנביחה הגבוהה שלה בשל גזע נמוך: היחס הקליפה בשלב בוגר. הנביחה מכילה הרבה מינרלים בהשוואה לעץ34,35,36,37 ומניב כמויות גבוהות יותר של פליטתגז או חלקיקים ב38. טמפרטורה נמוכה HTC יכול לשפר את תכונות הבעירה של עץ ווילו SRC, ובכך, לתרום חום בר קיימא ואספקת כוח. עוד פרמטר חשוב של ביופחם HTC חקר במחקר זה הוא צפיפות האנרגיה שלה, החום שלה גבוהה הבעירה הראשונית ואת טמפרטורת הבעירה הסופי גבוהה שלה39.

Protocol

1. הכנת חומר לדוגמא

  1. קציר חמש בן ערבה בת, לשכפל סוג "Tordes" ([סליקס schwerinii x S. Viminalis] x s.), עם גובה של 12 עד 14 מ' וקוטר שד של כ 15 ס מ.
  2. השבב עץ ויבש את השבבים במייבש כבשן עבור 24 שעות ב 105 ° c.
  3. חותכים את שבבי עץ עם טחנת חיתוך לטחון עם טחנת צנטריפוגלי לגודל חלקיק של 0.12 מ"מ.

2. מיקרוגל בסיוע לפחמי-הידרותרמי

  1. השתמש בתנור מיקרוגל עם 850 W ותדירות מגנטרון של 2,455 MHz.
  2. מקום 500 מ"ג של חומר גלם משלב 1.3 ב-50 mL polyטטרפלואורואתילן (מצופה) כלי התגובה עם מרית. מוסיפים 10 מ ל של מים מינרלים. להרוס את הפקק כלי התגובה כך שסתום הלחץ בכובע הוא באותה רמה כמו שולי הכובע.
  3. עבור כל טמפרטורת הטיפול, שים 12 כלי תגובה עם חומרי גלם במיקרוגל וסגור את התנור.
  4. הגדר שלוש תוכניות טמפרטורה, עם המיקרוגל עבור שלוש הטמפרטורות: 150 ° צ' (כבש + 12.5 ° c מינימום-1, החזק 60 דקות, שיא כוח 50%), 170 ° צ' (כבש + 9.6 ° c מינימום-1, החזק את השעה 60, שיא כוח 80%) , להחזיק 30 דקות, כבש-1.1 ° c מינימום-1 עד 150 ° c, שיא כוח 100%). , התחילו את המיקרוגל. עבור כל אחת מהתוכניות
  5. לאחר השלמת התוכנית, להסיר את כלי התגובה, לאפשר להם להתקרר ולהפעיל מחדש. ואז לפתוח אותם מתחת לארון לאחר שחרור הלחץ בפנים.
  6. הוסף 35 mL של כפול מים מזוקקים לכל כלי התגובה. יוצקים את הפתרון בכל כלי לצילינדר צנטריפוגה ו צנטריפוגה ב 1,714 x g עבור 10 דקות.
  7. המים התהליך מנוקז לתוך צינור אחר ומאוחסן קפוא ב-5 ° c עבור ניתוח כרומטוגרפיה של המסה (GC-MS) של pH וגז.
  8. הקפא את צילינדר הצנטריפוגה עם הגלולה הביופחם הנותרת ב-5 ° c. ואז להוציא את הגלולה biocoal ולייבש אותו ב 105 ° c עבור 24 h. שוקלים את הגלולה biocoal ולחשב את אובדן משקל הנגרמת על ידי הטיפול MAHC.
  9. חזור על שלבים 2.2-2.8 ארבע פעמים לכל טמפרטורה (48 כלי התגובה לטמפרטורה) כדי לייצר מספיק ביופחם (כ -22 גר') לניתוח הבא.

3. קביעת תוכן אש

  1. שוקלים 20 מנות קרמיקה ריקות בנפרד. להוסיף כל 1 גרם של מדגם (5 x 1 גרם של חומר גלם, ו 5 x 1 של ביו פחם מכל טיפול בטמפרטורה).
    הערה: מכיוון שלא ניתן לתייג את הכלים, יש לצייר תוכנית לסידור כלי הקיבול בתנור.
  2. הניחו את מנות הקרמיקה הפתוחות בתנור מעמעם וסגרו את הכבשן.
  3. לתכנת תוכנית טמפרטורה לתנור הקירור (6 ° c מינימום-1 מ- 25 ° c עד 250 ° c, החזיקו 60 דקות, +10 ° c-1 עד 550 ° c, החזק 120 דקות) והפעל את התוכנית.
  4. לאחר השלמת התוכנית, הנח לתנור החימום להתקרר עד 105 ° c. ואז לפתוח את הכבשן ולהוציא את הכלים הקרמיים.
  5. הניחו את מנות הקרמיקה בחולץ (שולחן החומרים) המלא בסוכן מתייבש המורכב מ סיליקה ג'ל. סגור את desiccator ואקום יבש בעזרת משאבת ואקום.
  6. קחו את מנות הקרמיקה לאחר 24 שעות של קירור. שוקלים את המנה הקרמית המכילה את האפר ומחשבים את משקל האפר על ידי הפחתת המשקל של המנה הקרמית הריקה.
  7. לקבוע את תוכן האפר באחוזים על ידי חלוקת משקל האפר על-ידי המסה היבשה של חומר הגלם או הביופחם.

4. קביעת ערכי החימום הגבוהים והנמוכים יותר

  1. הפעל את משאבת המים של קלורימטר ולפתוח את שסתום החמצן כדי לספק 99.5% חמצן כדי קלורימטר.
  2. שוקל 1 גרם של גלוקוז ומניחים אותו לתוך שקית מדגם פלסטיק עם ערך מוגדר הקלוריים של 46,479 J/g. לשים את השקית לדוגמה לתוך הכור הבעירה של פצצת קלורימטר.
  3. הוסף 5 מ ל של פעמיים מים השעברו בתחתית הפצצה ולהרוס את הפצצה. שים את הפצצה לתוך קלורימטר ולסגור את קלורימטר.
  4. הזן את משקל המדגם ושנה את ההגדרות לשיטת שקית לדוגמה. . הפעל את הקלורימטר
  5. לאחר השלמת המדידה, להוציא את הפצצה, להפוך אותו הפוך ולנענע לאט במשך 1 דקות.
  6. להוציא את הפצצה, להסיר 5 מ ל של מים פעמיים deמינרליזציה ולאחסן אותו במיכל כובע בורג עבור ניתוח כרומטוגרפיה הבאים.
  7. חזור על שלבים 4.2 ל-4.6 שלוש פעמים כדי לקבל את תקן הכיול.
  8. חזור על שלבים 4.2-4.6 לחמש פעמים עם כל ביופחם MAHC (150 ° c, 170 ° c, 185 ° c) וחומר הגלם.
  9. חשב את ערך החימום התחתון באמצעות המשוואה הבאה40:
    figure-protocol-3912
    כאשר lhv הוא ערך החימום התחתון, hhv הוא ערך חימום גבוה יותר המתקבל מן קלורימטר בשלב 4.4, ו ω הוא תוכן המימן [figure-protocol-4090 שהושג מניתוח אלמנטלים.

5. כרומטוגרפיה לכמת של כלור

הערה: בדוק את הכיול של יון כרומאטוגרף לפני הניתוח.

  1. להוציא את 5 מ ל של פתרון משלב 4.8 ולהוסיף 45 mL של כפליים מים מינרליזציה ב 50 mL מסכה נפחי.
  2. הכנס את שפופרת היניקה לדוגמה למיכל לדוגמה וצייר כ-3 מ ל של המדגם עם מזרק לתוך העמודה המקדימה. . הפעל את מרוץ האנליזה
  3. בצע את המדידות לפי הוראות היצרן.
  4. חזור על שלבים 5.2 ו-5.3 עבור כל מדגם שהוכן בסעיף 4.

6. היסודות ניתוח לקביעת יחסי O/C ו-H/C

  1. בחר שיטה מתאימה מתוך המדריך לכלי כדי למדוד את הדגימות.
  2. להפוך את כל 20 מ"ג סולולאמיד תקנים וריקים הדרושים כדי לכייל את המכשיר.
  3. כדי להכין מדגם חומרים, לשים 20 מ"ג של דגימת בנייר כסף על המאזן מיקרו. שקול את המדגם על רדיד פח, לסגור את רדיד האלומיניום סביב המדגם ולחץ על החבילה כדי להכיל קצת אוויר ככל האפשר. לאחר מכן חזור על 5x זה עבור כל דוגמה.
    הערה: כדי להיות מסוגל לנתח את דגימות biochar, כמות זהה של הטריאוקסיד טונגסטן כמו כמות של המדגם יש להוסיף ביחס של 1:1. זה צריך לפצות את החמצן החסר ב biochar כדי להבטיח בעירה שלמה במנתח היסודות.
  4. הכנס את הדגימות המוכנות בדגם האוטומטי של מנתח היסודות.
  5. פתח את שסתום חמצן והליום לחדר הבעירה של מנתח היסודות.
  6. הפעל את הניתוח כאשר ההתקן הגיע לטמפרטורה שצוינה על-ידי ההתקן. במקרה זה, המתן עד שהטמפרטורה תגיע 900 ° c.
  7. חישוב שומות של כל אלמנט בתקן סולולאמיד על ידי משקל סטנדרטי סולולאמיד (שלב 6.2), ואת המשקל של 1 השומה של האלמנט המתאים.
  8. לחשב את הקשר בין שומות של C, H, S, ו-N ב סולולאמיד, המתקבל משלב 6.7, ואת אזורי שיא המתאימים.
  9. הפחת את תוכן האפר לדוגמה, שהתקבל משלב 3.7, מהמשקל הכולל של הדגם.
  10. להשוות את האלמנט המתאים שיא בתקן סולולאמיד והמדגם, ולהתרבות על ידי השומה של כל אלמנט בסולולאמיד כדי לקבל את השומה של האלמנט במדגם.
  11. לחשב את המשקל של C, H, S, ו-N במדגם על ידי הכפלת השומה של האלמנט, המתקבל משלב 6.10, עם מסה טוחנת המתאים של האלמנט מהטבלה המחזורית.
  12. לחשב את משקל החמצן במדגם באמצעות המסה מדגם האפר חינם, המתקבל משלב 6.9, וחיסור המשקל של C, H, N, ו-S, שהתקבל משלב 6.11.
  13. לחשב את היחס הטוחנת H/C ו O/C בחומר הגלם ובדגימות הביופחם MAHC.

7. המושרה בשילוב פלזמה פליטה אופטי

  1. שוקלים 400 מ"ג של חומר גלם יבש או ביופחם MAHC והכניסו אותו לתוך מיכל התגובה של 50 mL עם מרית. הוסף 3 מ ל של 69% חומצה חנקתית ו 9 מ ל של 35% חומצה הידרוכלורית.
  2. להרוס את הפקק כלי התגובה כך שסתום הלחץ בכובע הוא באותה רמה כמו שולי הכובע.
  3. הניחו את כלי התגובה של הדגימות שניתן לנתח במיקרוגל ולסגור את התנור.
  4. לתכנת את תוכנית הטמפרטורה לירידה מלאה בחומר האורגני: השיפוע + 15.5 ° c מינימום-1 עד 200 ° c, החזיקו 30 דקות, מצננים עד 180 ° c, החזיקו מעמד 5 דקות.. התחילו במיקרוגל
  5. לאחר השלמת התוכנית, להסיר את כלי התגובה, לאפשר להם להתקרר ולהפעיל מחדש. ואז לפתוח את כלי הקיבול מתחת למזווה לאחר שחרור הלחץ בפנים.
  6. יוצקים את הדגימות לתוך גליל הנורה 50 mL. לאחר מכן לשטוף את כלי התגובה ביסודיות עם מים שניים מוכי העברת אותו לצילינדר הנורה. למעלה גליל לסמן 50 mL עם המים פעמיים מוכי כדי להבטיח אפילו דילול של כל הדגימות.
  7. לסנן את המדגם משלב 7.6 עם 150 יקרומטר נייר מסנן רשת. ממלאים את פילטרט ב50 mL מצינורות צנטריפוגה חרוט.
  8. הכניסו את הדגימות הסטנדרטיות. לתוך מזרק אוטומטי של הקאמרי דגימות סטנדרטיות הן של ריכוזים ידועים (0.0001 ppm, 0.001 ppm, 0.1 ppm, 1 ppm 10 עמודים לדקה, 20 עמודים לדקה, 50 ppm) של האלמנטים להיות כימות (Ca, כמו, B, להיות, Fe, Se, Zn, Ag, בתוך, Ba, Bi, תקליטור, ושות, Cr, Cu, Ga, K, לי , Mg, Mn, מו, Na, Ni, Pb, Rb, Sr, Te, Tl, V).
  9. הכניסו את הדגימות לתוך מזרק אוטומטי של הקאמרי והפעל את הניתוח באמצעות הפרמטרים האוטומטיים.
  10. לאחר ניתוח הקאמרי האוטומטי, להשיג את הריכוז הבסיסי של התוכנה, מחושב באופן אוטומטי ב mg/ק"ג, מבוסס על עקומות כיול שהתקבלו מדגימות סטנדרטיות בשלב 7.8.
  11. חישוב הפחתת ריכוז אלמנטלים בביופחם המיוצר:
    figure-protocol-8046
    שבו Conc. ביומסה הוא הריכוז הבסיסי של ביומסה ו Conc. בפחם הוא הריכוז הבסיסי של הביופחם.

8. מדידת ה-pH של המים תהליך HTC

  1. ממלאים כל שבר נוזלי מהטיפול MAHC (שלב 2.7) של חומר הגלם ואת שלושת הביופחמים בארבעה כוסות בהתאמה.
  2. כיול את ה-pH לווין עם פתרונות סטנדרטיים.
  3. מדוד את ה-pH של חלקיק הנוזלי של חומר הגלם ואת שלושת הביופחמים MAHC.

9. גז כרומטוגרפיה-ספקטרומטר מסה

  1. לסנן את השברים נוזלי מהטיפול mahc (שלב 2.7) עם 150 יקרומטר נייר מסנן רשת. הוסף 20 מ ל של מתנול ל 1 mL של שברים נוזליים מסוננים.
  2. העבר 200 μL לבקבוקון בקבוקון אוטומטי של GC-MS והשם את הבקבוקון בדוגם האוטומטי של GC-MS.
  3. לדלל סטנדרטים טהורים של furfural ו 5-מתילפורפוראל (כיתה אנליטית) עד 10-2, 10-3, 10-4, ו 10-5 עם מתנול.
  4. לשים את הסטנדרטים ב-GC-MS הדגם האוטומטי ולנתח אותם עם הפרמטרים: 1 כמות μL הזרקה ב 230 בטמפרטורה מזרק ° c ו 1:40 לפצל; 5 אלפיות שאינה קוטב עמודה (טבלה של חומרים) עם אורך 15 m ו 0.25 מילימטר עובי הסרט; טמפרטורת התוכנית 30 ° c, החזיקו 2 דקות, השיפוע של + 40 ° c/מינימום עד 250 ° c, החזיקו 2 דקות; אינון עם 70 mV ו-MS גלאי במצב סריקה עם טווח m/z של 35-400, כל סריקה ב 0.3 s.
  5. צור עקומות כיול לפי אזור השיא של ספירת יונים (TIC) והריכוז המורכב.
  6. הפעל את מוכן HTC ביופחם נוזלי שלב דגימות עם הפרמטרים האנליטיים אותו לזהות furfural ו 5-מתילfurfural באמצעות זמן השמירה של התקן ואת הספקטרום להתאים בספריית ספקטרום.
  7. לקבוע את ריכוזי furfural ו 5-מתילfurfural באמצעות עקומת כיול מחושב (שלב 9.6) והוספת לדוגמה אזורי שיא של furfural ו 5-מתילפורפוראל.

10. סטטיסטיקות

  1. לנתח את הנתונים עם מבחן שפירו ווילקס להפצה נורמלית.
  2. השתמש במבחן מאן-ויטני עבור ערכות נתונים שאינן מופצות בדרך כלל והבדיקה t-test עבור ערכות נתונים מבוזרות בדרך כלל כדי למצוא הבדלים משמעותיים בין ערכות נתונים.
    הערה: אם ערכת נתונים אחת מופצת בדרך כלל והשניה לא, השתמש במבחן מאן-ויטני U.

תוצאות

תוצאות הניתוח הבסיסי חשפו הבדלים בין היחס O/C-H/C של עץ הערבה וביופחמים MAHC (איור 1). חומר הגלם מציג יחס גבוה יותר של O/C-H/C וריאציה גבוהה יותר של הערכים. הטיפול MAHC הפחית את וריאציה הערך עקב הומוגון במחולל המיקרוגל. הדיוק של כור המיקרוגל איפשר את הבידול של שלושה של...

Discussion

ה-MAHC מאפשר את הבידול של צעדי הירידה הכימית על ידי החלת עוצמות שונות של טיפול תרמי. לכן, ניתן להעריך את האינטראקציות בין אובדן המונים, O/C-H/C יחס, הסקה ערך, הפחתת רכיב אפר, הגדלת pH של התהליך הצטברות של המים בתהליך המים. היתרון של שיטת MAHC על השיטה המקובלת HTC הכור מבוסס על הולכה תרמית דרך מיקרוגלים ?...

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgements

המחברים אוהבים להודות לקריסטוף ורדה, מייקל רוס, קרולה לפטון, ג'וליאן טג'יידה וד ר ריינר קינסהוף על תמיכתם הטכנית. המחקר מומן על ידי BMBF (פרויקט BiCoLim-Bio-דליקים Limpios) תחת מספר מענק 01DN16036.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
5MS non-polar cloumnThermo Fisher Scientific,Waltham, USATraceGOLD SQCGCMS
9µm polyvinylalcohol particle columnMethrom AG, Filderstadt, GermanyMetrosep A Supp 4 -250/4.0Ion chromatography
argonWestfalen AG, Münster, GermanyUN 1006ICP-OES
calorimeterIKA-Werke GmbH & Co.KG, Stauffen, GermanyC6000higher and lower heating value
centrifugeAndreas Hettich GmbH & Co.KG, GermanyRotofix 32 A
centrifuge millRetsch Technology GmbH, Haan,
Germany		ZM 200
ceramic dishesCarl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, GermanyXX83.1Ash content
cutting millFritsch GmbH, Markt Einersheim, Germanypulverisette 19
D(+) GlucoseCarl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, GermanyX997.1higher and lower heating value
elemental analyzerelementar Analysesysteme GmbH, Langenselbold, GermanyvarioMACRO cubeelemental analysis
exicatorDWK Life Sciences GmbH, Wertheim, GermanyDURAN DN300Ash content
GC-MS systemThermo Fisher Scientific,Waltham, USATrace 1300GCMS
hydrochloric acidCarl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, GermanyHN53.3ICP-OES
ICP OESSpectro Analytical Instruments GmbH, Kleve, GermanySpectro Blue-EOP- TIICP-OES
Ion chromatographMethrom GmbH&Co.KG, Filderstadt, Germany833 Basic IC plusIon chromatography
kiln dryerSchellinger KG, Weingarten, Germany
kiln dryerSchellinger KG, Weingarten, GermanyAsh content
mesh filter paperCarl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, GermanyL874.1ICP-OES
microwave ovenAnton Paar GmbH, Graz, AustriaMultiwave Go
muffel furnanceCarbolite Gero GmbH &Co.KG, Neuhausen, GermanyAAF 1100Ash content
nitric acidCarl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany4989.1ICP-OES
oxygenWestfalen AG, Münster, GermanyUN 1072higher and lower heating value
pH-meterylem Analytics Germany Sales GmbH & Co. KG, Weilheim,GermanypH 3310pH
sample bagIKA-Werke GmbH & Co.KG, Stauffen, GermanyC12ahigher and lower heating value
Standard Laboratory Vessels and Instruments
standard samplesBernd Kraft GmbH, Duisburg, GermanyICP-OES
sulfonamiteelementar Analysesysteme GmbH, Langenselbold, GermanySLBS4782elemental analysis
teflon reaction vesselsAnton Paar, AustriaHVT50
teflon reaction vesselsAnton Paar, AustriaHVT50ICP-OES
tin foilelementar Analysesysteme GmbH, Langenselbold, GermanyS12.01-0032elemental analysis
tungstenVIoxideelementar Analysesysteme GmbH, Langenselbold, Germany11.02-0024elemental analysis
twice deionized waterCarl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany
twice deionized waterCarl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germanyhigher and lower heating value
twice deionized waterCarl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, GermanyICP-OES

References

  1. Li, C., Zhao, Z. K., Cai, H., Wang, A., Zhang, T. Microwave-promoted conversion of concentrated fructose into 5-hydroxymethylfurfural in ionic liquids in the absence of catalysts. Biomass and Bioenergy. 35 (5), 2013-2017 (2011).
  2. Möller, M., Harnisch, F., Schröder, U. Microwave-assisted hydrothermal degradation of fructose and glucose in subcritical water. Biomass and Bioenergy. 39, 389-398 (2012).
  3. Guiotoku, M., Rambo, C. R., Hansel, F. A., Magalhães, W. L. E., Hotza, D. Microwave-assisted hydrothermal carbonization of lignocellulosic materials. Materials Letters. 63 (30), 2707-2709 (2009).
  4. Guiotoku, M., Rambo, C. R., hansel, F. A., Magalhães, W. L. E., Hotza, D. Microwave-assisted hydrothermal carbonization of lignocellulosic materials. Materials Letters. (63), 2707-2709 (2009).
  5. Kannan, S., Gariepy, Y., Raghavan, G. S. V. Optimization and characterization of hydrochar produced from microwave hydrothermal cabonization of fish waste. Waste Management. , 159-168 (2017).
  6. Elaigwu, S. E., Greenway, G. M. Microwave-assisted and conventional hydrothermal carbonization of lignocellulosic waste material: Comparison of the chemical and structural properties of the hydrochars. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 118, 1-8 (2016).
  7. Elaigwu, S. E., Greenway, G. M. Microwave-assisted hydrothermal carbonization of rapeseed husk: A strategy for improving its solid fuel properties. Fuel Processing Technology. 149, 305-312 (2016).
  8. Chen, W. -. H., Ye, S. -. C., Sheen, H. -. K. Hydrothermal carbonization of sugarcane bagasse via wet torrefaction in association with microwave heating. Bioresource technology. 118, 195-203 (2012).
  9. Nizamuddin, S., et al. Upgradation of chemical, fuel, thermal, and structural properties of rice husk through microwave-assisted hydrothermal carbonization. Environmental science and pollution research international. 25 (18), 17529-17539 (2018).
  10. Nizamuddin, S., et al. An overview of microwave hydrothermal carbonization and microwave pyrolysis of biomass. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology. 17 (4), 813-837 (2018).
  11. Dallinger, D., Kappe, C. O. Microwave-assisted synthesis in water as solvent. Chemical reviews. 107 (6), 2563-2591 (2007).
  12. Qi, X., Watanabe, M., Aida, T. M., Smith, J. R. L. Catalytic dehydration of fructose into 5-hydroxymethylfurfural by ion-exchange resin in mixed-aqueous system by microwave heating. Green Chemistry. 10 (7), 799 (2008).
  13. Nüchter, M., Ondruschka, B., Bonrath, W., Gum, A. Microwave assisted synthesis - a critical technology overview. Green Chem. 6 (3), 128-141 (2004).
  14. Schanche, J. -. S. Microwave synthesis solutions from personal chemistry. Molecular Diversity. 7 (2-4), 291-298 (2003).
  15. Kappe, C. O. Controlled microwave heating in modern organic synthesis. Angewandte Chemie (International ed. in English). 43 (46), 6250-6284 (2004).
  16. Gronnow, M. J., White, R. J., Clark, J. H., Macquarrie, D. J. Energy Efficiency in Chemical Reactions: A Comparative Study of Different Reaction Techniques. Organic Process Research & Development. 9 (4), 516-518 (2005).
  17. Kruse, A., Dahmen, N. Hydrothermal biomass conversion: Quo vadis?. The Journal of Supercritical Fluids. 134, 114-123 (2018).
  18. Reza, M. T., et al. Hydrothermal Carbonization of Biomass for Energy and Crop Production. Applied Bioenergy. 1 (1), (2014).
  19. Libra, J. A., et al. Hydrothermal carbonization of biomass residuals: a comparative review of the chemistry, processes and applications of wet and dry pyrolysis. Biofuels. 2 (1), 71-106 (2011).
  20. Reza, M. T., Uddin, M. H., Lynam, J. G., Hoekman, S. K., Coronella, C. J. Hydrothermal carbonization of loblolly pine: reaction chemistry and water balance. Biomass Conversion and Biorefinery. 4 (4), 311-321 (2014).
  21. 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).
  22. Kruse, A., Funke, A., Titirici, M. -. M. Hydrothermal conversion of biomass to fuels and energetic materials. Current opinion in chemical biology. 17 (3), 515-521 (2013).
  23. Reza, M. T., Lynam, J. G., Uddin, M. H., Coronella, C. J. Hydrothermal carbonization: Fate of inorganics. Biomass and Bioenergy. 49, 86-94 (2013).
  24. Zhang, D., et al. Comparison study on fuel properties of hydrochars produced from corn stalk and corn stalk digestate. Energy. 165, 527-536 (2018).
  25. Huang, Y. -. B., Yang, Z., Dai, J. -. J., Guo, Q. -. X., Fu, Y. Production of high quality fuels from lignocellulose-derived chemicals: a convenient C-C bond formation of furfural, 5-methylfurfural and aromatic aldehyde. RSC Advances. 2 (30), 11211 (2012).
  26. Van de Vyver, S., Geboers, J., Jacobs, P. A., Sels, B. F. Recent Advances in the Catalytic Conversion of Cellulose. ChemCatChem. 3 (1), 82-94 (2011).
  27. Delidovich, I., Leonhard, K., Palkovits, R. Cellulose and hemicellulose valorisation: an integrated challenge of catalysis and reaction engineering. Energy & Environmental Science. 7 (9), 2803 (2014).
  28. Sevilla, M., Fuertes, A. B. The production of carbon materials by hydrothermal carbonization of cellulose. Carbon. 47 (9), 2281-2289 (2009).
  29. Yao, Z., Ma, X. Characteristics of co-hydrothermal carbonization on polyvinyl chloride wastes with bamboo. Bioresource technology. 247, 302-309 (2018).
  30. Funke, A., Ziegler, F. Hydrothermal carbonization of biomass: A summary and discussion of chemical mechanisms for process engineering. Biofuels, Bioproducts and Biorefining. (4), 160-177 (2010).
  31. Liu, Z., Balasubramanian, R. Upgrading of waste biomass by hydrothermal carbonization (HTC) and low temperature pyrolysis (LTP): A comparative evaluation. Applied Energy. 114, 857-864 (2014).
  32. Khalsa, J., Döhling, F., Berger, F. Foliage and Grass as Fuel Pellets-Small Scale Combustion of Washed and Mechanically Leached Biomass. Energies. 9 (5), 361 (2016).
  33. Saddawi, A., Jones, J. M., Williams, A., Le Coeur, C. Commodity Fuels from Biomass through Pretreatment and Torrefaction: Effects of Mineral Content on Torrefied Fuel Characteristics and Quality. Energy & Fuels. 26 (11), 6466-6474 (2012).
  34. Kaltschmitt, M., Hartmann, H., Hofbauer, H. . Energie aus Biomasse: Grundlagen, Techniken und Verfahren. , (2016).
  35. Fengel, D., Wegener, G. . Wood: Chemistry, Ultrastructure, Reactions. , (1989).
  36. Obernberger, I., Thek, G. Physical characterisation and chemical composition of densified biomass fuels with regard to their combustion behaviour. Biomass and Bioenergy. 27 (6), 653-669 (2004).
  37. Kenney, W. A., Sennerby-Forsse, L., Layton, P. A review of biomass quality research relevant to the use of poplar and willow for energy conversion. Biomass. 21 (3), 163-188 (1990).
  38. Tharakan, P. J., Volk, T. A., Abrahamson, L. P., White, E. H. Energy feedstock characteristics of willow and hybrid poplar clones at harvest age. Biomass and Bioenergy. 25 (6), 571-580 (2003).
  39. Liu, Z., Quek, A., Balasubramanian, R. Preparation and characterization of fuel pellets from woody biomass, agro-residues and their corresponding hydrochars. Applied Energy. , 1315-1322 (2014).
  40. Technischen Komitee ISO/TC 238. . "Solid biofuels" und Technisches Komitee CEN/TC 335 "Biogene Festbrennstoffe" Solid biofuels - Determination of calorific value (ISO 18125:2017); German version EN ISO 18125:2017. , (2017).
  41. Kambo, H. S., Dutta, A. A comparative review of biochar and hydrochar in terms of production, physico-chemical properties and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 45, 359-378 (2015).
  42. Knappe, V., et al. Low temperature microwave assisted hydrothermal carbonization (MAHC) reduces combustion emission precursors in short rotation coppice willow wood. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 134, 162-166 (2018).
  43. Liu, Z., Quek, A., Kent Hoekman, S., Balasubramanian, R. Production of solid biochar fuel from waste biomass by hydrothermal carbonization. Fuel. 103, 943-949 (2013).
  44. Hoekman, S. K., Broch, A., Robbins, C., Zielinska, B., Felix, L. Hydrothermal carbonization (HTC) of selected woody and herbaceous biomass feedstocks. Biomass Conversion and Biorefinery. 3 (2), 113-126 (2013).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

147HTCHTCcoppice

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved