Hoppa till innehållet

Förkolning: Skillnad mellan sidversioner

Från Wikipedia
Bläddra interaktivt i historiken
← Äldre redigeringNyare redigering →
Innehåll som raderades Innehåll som lades till
VisuellWikitext
Ingen redigeringssammanfattning
tillägg av text + referenser
Rad 1: Rad 1:
[[File:Fig. 1b.tiff|thumb|250 px|Kolpatiklar gjorda av glykos genom hydrotermisk förkolning, som har bearbetats med CO<sub>2</sub> i 6 timmar för att ändra ytegenskaper. SEM-bild från [[University of Tartu]].]]
'''Förkolning''' är kemiska processer som koncentrerar [[kol]] från [[organiska föreningar]]. Förkolning kan bland annat bestå i att [[vatten]] frigörs från [[kolhydrater]] genom [[pyrolys]], eller genom reaktion med en stark [[syra]].
'''Förkolning''' eller '''hydrotermisk karbonisering''' (HTC) (även kallad "vattenhaltig karbonisering vid förhöjd temperatur och tryck") är en kemisk process för omvandling av organiska föreningar till strukturerade [[kol]]. Den kan användas för att göra en mängd olika nanostrukturerade kol, enkel produktion av [[brunkol]]sersättning, [[syntesgas]], flytande petroleumprekursorer och [[humus]] från [[Biomassa (ekonomi)|biomassa]] med frigörande av energi. Tekniskt sett imiterar processen, inom några timmar, brunkolsbildningsprocessen (tyska "Inkohlung" bokstavligen "kolifiering") som äger rum i naturen under avsevärt mycket längre geologiska tidsperioder på 50&nbsp;000 till 50 miljoner år. Processen undersöktes av [[Friedrich Bergius]] och beskrevs första gången 1913.<ref>Friedrich Carl Rudolf Bergius: ''Anwendung hoher Drucke bei chemischen Vorgängen und die Nachbildung des Entstehungsprozesses der Steinkohle.'' W. Knapp, Halle a.S. 1913, {{OCLC|250146190}}.</ref>


==Motivering==
{{orgkemistub}}
Koleffektiviteten i de flesta processer för att omvandla organiskt material till bränsle är relativt låg, det vill säga andelen kol som finns i biomassan, som senare ingår i den användbara slutprodukten, är relativt låg:

{| class="wikitable"
|-
! Process
! Koleffektivitet
|-
| [[alkohol]]jäsning
| 67 procent
|-
|förgasning till H<sub>2</sub> eller CH<sub>4</sub>
|60 procent
|-
|förgasning och [[Fischer-Tropsch-syntes]]
|50 procent
|-
| [[anaerob]] omvandning till [[biogas]]
| 50 procent
|-
| [[träkol]]-production
| 30 procent
|-
| production av [[humus]] genom [[kompostering]]
| 5 till 10 procent
|}

I dåligt utformade system avgår det oanvända kolet ut i atmosfären som [[koldioxid]], eller, när det [[Jäsning|fermenteras]], som [[metan]]. Båda gaserna är växthusgaser med metan som ännu mer klimataktiv per molekyl än CO<sub>2</sub>. Dessutom används vanligtvis inte den värme som frigörs vid dessa processer. Avancerade moderna system fångar upp nästan alla gaser och använder värmen som en del av processen eller för [[fjärrvärme]].

Problemet med produktion av [[biodiesel]] från [[oljeväxt]]er är det faktum att endast den energi som finns i frukten kan användas. Om hela plantan kunde användas för bränsleproduktion skulle energiutbytet kunna ökas med en faktor tre till fem med samma odlingsyta vid odling av snabbväxande växter som [[Pil (träd)|pil]], [[Poppelsläktet|poppel]], [[miscanthus]], [[hampa]], [[vass]] eller skogsodling. Samtidigt kan minskas energi-, gödnings- och [[herbicid]]användningen, med möjlighet att använda - för nuvarande energiväxtodling - sämre jord. Hydrotermisk karbonisering gör det möjligt - såsom biomassa-till-vätska-processen - att använda nästan allt kol som finns i biomassan för bränslegenerering. Detta är en ny variant av ett gammalt område (omvandling av biomassa till [[biobränsle]]) som nyligen (2007) har vidareutvecklats i [[Tyskland]].<ref>Maria-Magdalena Titirici, [[Arne Thomas]] and Markus Antonietti, New J. Chem., 2007, 31, 787-789. "Back in the black: hydrothermal carbonization of plant material as an efficient chemical process to treat the CO<sub>2</sub> problem?"</ref> Det arbetar med måttliga temperaturer och tryck över en vattenlösning av biomassa i en utspädd syra i flera timmar. Det resulterande materialet fångar enligt uppgift 100 procent av kolet i ett "kol"-pulver som skulle kunna ge material till jordförbättring (liknande [[biokol]]) och ytterligare studier i ekonomisk nanomaterialproduktion.<ref>[http://www.rsc.org/publishing/journals/NJ/article.asp?doi=b616045j Back in the black: hydrothermal carbonization of plant material as an efficient chemical process to treat the <sub>2</sub>problem?]</ref>

==Process==
Biomassa värms tillsammans med vatten till 180 °C i ett tryckkärl, särskilt vegetabiliskt material (i reaktionsformeln nedan, förenklat som [[socker]] med formeln C<sub>6</sub>H<sub>12</sub>O<sub>6</sub>). Trycket stiger till cirka 1 megapascal. Under reaktionen bildas även [[oxoniumjon]]er som sänker [[pH]] till pH 5 och lägre. Detta steg kan påskyndas genom att tillsätta en liten mängd [[citronsyra]].<ref>Peter Brandt: ''Die „Hydrothermale Carbonisierung": eine bemerkenswerte Möglichkeit, um die Entstehung von CO<sub>2</sub> zu minimieren oder gar zu vermeiden?'' In: ''J. Verbr. Lebensm.'' 4 (2009): S.&nbsp;151–154, {{doi|10.1007/s00003-009-0472-7}}.</ref> I detta fall, vid låga pH-värden, passerar mer kol in i vattenfasen. Avloppsreaktionen är exoterm, det vill säga energi frigörs. Efter 12 timmar har kolet från reaktanterna reagerat fullständigt och 90 till 99 procent av kolet samlas i ett vattenhaltigt slam av porösa brunkolssfärer (C<sub>6</sub>H<sub>2</sub>O) med porstorlekar mellan 8 och 20 nm som en fast fas, medan återstående 1 till 10 procent kol antingen löses i vattenfasen eller omvandlas till koldioxid. Reaktionsformeln för bildandet av brunkol är:

<math>\mathrm{C_6H_{12}O_6} \quad \rightarrow \quad \mathrm{C_6H_2O} + \mathrm{5\ H_2O \qquad \Delta H = -1.105\ \mathrm{kJ/mol}}</math>

Reaktionen kan stoppas i flera steg med ofullständig eliminering av vatten, vilket ger olika mellanprodukter. Efter några minuter bildas flytande mellanliggande [[lipofil]]a substanser, men deras hantering är mycket svår på grund av deras höga reaktivitet. Därefter polymeriserar dessa ämnen och [[torv]]liknande strukturer bildas som mellanprodukter efter cirka 8 timmar.

==Effektivitet==
Som ett resultat av den exoterma reaktionen av hydrotermisk karbonisering frigörs cirka 3/8 av biomassans värmevärde baserat på torrmassan (med en hög [[lignin]]-, [[harts]]- och/eller oljehalt på minst 1/4). Om processen sköts på rätt sätt är det möjligt att använda denna spillvärme från våt biomassa för att producera torrt biokol och att använda en del av den omvandlade energin för energiproduktion.

I en storskalig teknisk implementering av hydrotermisk förkolning av avloppsslam har det visat sig att cirka 20 procent av bränsleenergiinnehållet i 90 procent sluttorkat HTC-kol krävs för att värma processen. Dessutom är cirka 5 procent av det genererade energiinnehållet nödvändigt för eldrift av anläggningen. Det har visat sig särskilt fördelaktigt i fallet med HTC-processen att med mekanisk dehydrering kan mer än 60 procent av torrsubstanshalten uppnås i råkolet, och därmed är energi- och utrustningsutgifterna för den slutliga torkningen av kolet låg jämfört med konventionella torkningsmetoder för dessa slurryer.<ref>Marc Buttmann: [http://www.terranova-energy.com/fckdata/image/Fachbericht%20CIT%202011%20TerraNova%20Energy.pdf ''Klimafreundliche Kohle durch HTC von Biomasse.''] (PDF; 7,0&nbsp;MB). In: ''[[Chemie Ingenieur Technik]], 2011, 83, 11, 1890-1896''. Retrieved 4 July 2012.</ref>

Jämfört med slamrötning med efterföljande torkning är energibehovet för HTC lägre med cirka 20 procent av den elektriska energin och cirka 70 procent av den termiska energin. Mängden energi som produceras av HTC som lagringsbart kol är samtidigt 10 procent högre.<ref>P. Jeitz, O. Deiss: [http://www.terranova-energy.com/fckdata/image/HTC%20fu%CC%88r%20Kla%CC%88rschlamm%20-%20Oswald%20Deiss%20Holinger%20AG%202012.pdf ''Neue Wege in der Klärschlammaufbereitung.''] (PDF; 1,1&nbsp;MB). In: ''Aqua & Gas.'' 2012, 4, 42-45. Retrieved 4 July 2012.</ref> Jämfört med konventionell termisk torkning av avloppsslam, sparar HTC 62 procent av elektriciteten och 69 procent av värmeenergin tack vare dess betydligt enklare dränering.<ref name=":0">{{Cite web|date=2016-08-24|url=http://www.ava-co2.com/web/media/downloads_DE/dokumente/Schlussbericht_BAFU_HTC_2013.pdf|access-date=2020-09-23|archive-url=https://web.archive.org/web/20160824054424/http://www.ava-co2.com/web/media/downloads_DE/dokumente/Schlussbericht_BAFU_HTC_2013.pdf|archive-date=2016-08-24|title=::: Weiter ::: }}</ref>

==Referenser==
{{enwp|url=https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Present&oldid=1152760027 |artikel=Hydrothermal carbonization| datum= 17 januari 2024}}

===Noter===

<references>

</references>

== Externa länkar ==
{{Commonscat|Hydrothermal carbonization}}
*[https://www.youtube.com/watch?v=DYyW8EqRQJo ''Movie of commercial HTC installation by TerraNova Energy GmbH''] auf YouTube, retrieved 25 March 2019
*[http://www.kompostverband.ch/LinkClick.aspx?fileticket=XaZHoN44cpI%3D&tabid=711&language=fr-FR ''Hydrothermale Carbonisierung HTC''] auf kompostverband.ch, retrieved 22 January 2017.
* [http://www.mpg.de/521319/pressemitteilung200607121 Max-Planck-Gesellschaft: ''Zauberkohle aus dem Dampfkochtopf''] auf mpg.de, retrieved 22 January 2017.
* [http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1931/bergius-lecture.pdf ''Chemical reactions under high pressure''] Vorlesung von Friedrich Bergius anlässlich der Verleihung des Nobelpreises 1931, (PDF-Datei; 781 kB), auf nobelprize.org, retrieved 22 January 2017.
* [http://www.sueddeutsche.de/wissen/alternative-energie-kraftstoff-aus-orangen-1.912878 ''Kraftstoff aus Orangen''] auf sueddeutsche.de, retrieved 22 January 2017.
* [http://www.ithaka-journal.net/erste-htc-anlage-in-industriellem-masstab ''Weiterführende Informationen zum AVA-HTC-Reaktor mit interessanter Diskussion''] auf ithaka-journal.net, retrieved 22 January 2017.
* [http://ava-htc.com/en/article/official-launch-of-the-ava-htc-plant-in-relzow_10 ''Official launch of the AVA HTC plant in Relzow''] November, 2017
* [http://ava-htc.com/en/about-us_8 ''In 2010, AVA became the first company in the world to operate a HTC plant on an industrial scale ''] In 2010
* [https://www.terranova-energy.com/en/technology/ ''The TerraNova®ultra process mimics and significantly accelerates the process of natural coal formation '']
* [https://www.cetjournal.it/cet/22/92/004.pdf ''Hydrothermal Carbonization of Sludge Residues via Carborem C700 industrial Scale Continuous Operating Plant '']

{{Auktoritetsdata}}

{{STANDARDSORTERING:Förkolning}}


[[Kategori:Organisk kemi]]
[[Kategori:Organisk kemi]]

Versionen från 25 januari 2024 kl. 16.39

Kolpatiklar gjorda av glykos genom hydrotermisk förkolning, som har bearbetats med CO2 i 6 timmar för att ändra ytegenskaper. SEM-bild från University of Tartu.

Förkolning eller hydrotermisk karbonisering (HTC) (även kallad "vattenhaltig karbonisering vid förhöjd temperatur och tryck") är en kemisk process för omvandling av organiska föreningar till strukturerade kol. Den kan användas för att göra en mängd olika nanostrukturerade kol, enkel produktion av brunkolsersättning, syntesgas, flytande petroleumprekursorer och humus från biomassa med frigörande av energi. Tekniskt sett imiterar processen, inom några timmar, brunkolsbildningsprocessen (tyska "Inkohlung" bokstavligen "kolifiering") som äger rum i naturen under avsevärt mycket längre geologiska tidsperioder på 50 000 till 50 miljoner år. Processen undersöktes av Friedrich Bergius och beskrevs första gången 1913.[1]

Motivering

Koleffektiviteten i de flesta processer för att omvandla organiskt material till bränsle är relativt låg, det vill säga andelen kol som finns i biomassan, som senare ingår i den användbara slutprodukten, är relativt låg:

Process Koleffektivitet
alkoholjäsning 67 procent
förgasning till H2 eller CH4 60 procent
förgasning och Fischer-Tropsch-syntes 50 procent
anaerob omvandning till biogas 50 procent
träkol-production 30 procent
production av humus genom kompostering 5 till 10 procent

I dåligt utformade system avgår det oanvända kolet ut i atmosfären som koldioxid, eller, när det fermenteras, som metan. Båda gaserna är växthusgaser med metan som ännu mer klimataktiv per molekyl än CO2. Dessutom används vanligtvis inte den värme som frigörs vid dessa processer. Avancerade moderna system fångar upp nästan alla gaser och använder värmen som en del av processen eller för fjärrvärme.

Problemet med produktion av biodiesel från oljeväxter är det faktum att endast den energi som finns i frukten kan användas. Om hela plantan kunde användas för bränsleproduktion skulle energiutbytet kunna ökas med en faktor tre till fem med samma odlingsyta vid odling av snabbväxande växter som pil, poppel, miscanthus, hampa, vass eller skogsodling. Samtidigt kan minskas energi-, gödnings- och herbicidanvändningen, med möjlighet att använda - för nuvarande energiväxtodling - sämre jord. Hydrotermisk karbonisering gör det möjligt - såsom biomassa-till-vätska-processen - att använda nästan allt kol som finns i biomassan för bränslegenerering. Detta är en ny variant av ett gammalt område (omvandling av biomassa till biobränsle) som nyligen (2007) har vidareutvecklats i Tyskland.[2] Det arbetar med måttliga temperaturer och tryck över en vattenlösning av biomassa i en utspädd syra i flera timmar. Det resulterande materialet fångar enligt uppgift 100 procent av kolet i ett "kol"-pulver som skulle kunna ge material till jordförbättring (liknande biokol) och ytterligare studier i ekonomisk nanomaterialproduktion.[3]

Process

Biomassa värms tillsammans med vatten till 180 °C i ett tryckkärl, särskilt vegetabiliskt material (i reaktionsformeln nedan, förenklat som socker med formeln C6H12O6). Trycket stiger till cirka 1 megapascal. Under reaktionen bildas även oxoniumjoner som sänker pH till pH 5 och lägre. Detta steg kan påskyndas genom att tillsätta en liten mängd citronsyra.[4] I detta fall, vid låga pH-värden, passerar mer kol in i vattenfasen. Avloppsreaktionen är exoterm, det vill säga energi frigörs. Efter 12 timmar har kolet från reaktanterna reagerat fullständigt och 90 till 99 procent av kolet samlas i ett vattenhaltigt slam av porösa brunkolssfärer (C6H2O) med porstorlekar mellan 8 och 20 nm som en fast fas, medan återstående 1 till 10 procent kol antingen löses i vattenfasen eller omvandlas till koldioxid. Reaktionsformeln för bildandet av brunkol är:

Reaktionen kan stoppas i flera steg med ofullständig eliminering av vatten, vilket ger olika mellanprodukter. Efter några minuter bildas flytande mellanliggande lipofila substanser, men deras hantering är mycket svår på grund av deras höga reaktivitet. Därefter polymeriserar dessa ämnen och torvliknande strukturer bildas som mellanprodukter efter cirka 8 timmar.

Effektivitet

Som ett resultat av den exoterma reaktionen av hydrotermisk karbonisering frigörs cirka 3/8 av biomassans värmevärde baserat på torrmassan (med en hög lignin-, harts- och/eller oljehalt på minst 1/4). Om processen sköts på rätt sätt är det möjligt att använda denna spillvärme från våt biomassa för att producera torrt biokol och att använda en del av den omvandlade energin för energiproduktion.

I en storskalig teknisk implementering av hydrotermisk förkolning av avloppsslam har det visat sig att cirka 20 procent av bränsleenergiinnehållet i 90 procent sluttorkat HTC-kol krävs för att värma processen. Dessutom är cirka 5 procent av det genererade energiinnehållet nödvändigt för eldrift av anläggningen. Det har visat sig särskilt fördelaktigt i fallet med HTC-processen att med mekanisk dehydrering kan mer än 60 procent av torrsubstanshalten uppnås i råkolet, och därmed är energi- och utrustningsutgifterna för den slutliga torkningen av kolet låg jämfört med konventionella torkningsmetoder för dessa slurryer.[5]

Jämfört med slamrötning med efterföljande torkning är energibehovet för HTC lägre med cirka 20 procent av den elektriska energin och cirka 70 procent av den termiska energin. Mängden energi som produceras av HTC som lagringsbart kol är samtidigt 10 procent högre.[6] Jämfört med konventionell termisk torkning av avloppsslam, sparar HTC 62 procent av elektriciteten och 69 procent av värmeenergin tack vare dess betydligt enklare dränering.[7]

Referenser

Den här artikeln är helt eller delvis baserad på material från engelskspråkiga Wikipedia, Hydrothermal carbonization, 17 januari 2024.

Noter

  1. ^ Friedrich Carl Rudolf Bergius: Anwendung hoher Drucke bei chemischen Vorgängen und die Nachbildung des Entstehungsprozesses der Steinkohle. W. Knapp, Halle a.S. 1913, OCLC 250146190.
  2. ^ Maria-Magdalena Titirici, Arne Thomas and Markus Antonietti, New J. Chem., 2007, 31, 787-789. "Back in the black: hydrothermal carbonization of plant material as an efficient chemical process to treat the CO2 problem?"
  3. ^ Back in the black: hydrothermal carbonization of plant material as an efficient chemical process to treat the 2problem?
  4. ^ Peter Brandt: Die „Hydrothermale Carbonisierung": eine bemerkenswerte Möglichkeit, um die Entstehung von CO2 zu minimieren oder gar zu vermeiden? In: J. Verbr. Lebensm. 4 (2009): S. 151–154, doi:10.1007/s00003-009-0472-7.
  5. ^ Marc Buttmann: Klimafreundliche Kohle durch HTC von Biomasse. (PDF; 7,0 MB). In: Chemie Ingenieur Technik, 2011, 83, 11, 1890-1896. Retrieved 4 July 2012.
  6. ^ P. Jeitz, O. Deiss: Neue Wege in der Klärschlammaufbereitung. (PDF; 1,1 MB). In: Aqua & Gas. 2012, 4, 42-45. Retrieved 4 July 2012.
  7. ^ ”::: Weiter :::”. ::: Weiter :::. 2016-08-24. http://www.ava-co2.com/web/media/downloads_DE/dokumente/Schlussbericht_BAFU_HTC_2013.pdf. 

Externa länkar

Hämtad från ”https://sv.wikipedia.org/w/index.php?title=Förkolning&oldid=54374612”