Analisi fisico-chimica e strutturale degli scarti di carbone (e dei fanghi di depurazione) (co)

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 17532 (2022) Citare questo articolo

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Questo studio si è concentrato sul trattamento idrotermale (HTC) degli sterili di carbone (CT) e dei liquami di carbone (CS) e sul trattamento co-idrotermale (Co-HTC) di CT, CS e fanghi di depurazione per valutare il potenziale di aumento del contenuto di carbonio di l’idrochar prodotto come fattore abilitante per un’economia del carbonio sostenibile. La metodologia di combinazione ottimale e la metodologia della superficie di risposta sono state utilizzate per studiare la relazione tra importanti parametri di processo, ovvero temperatura, pressione, tempo di residenza, rapporto carbone/fanghi di depurazione e resa di carbonio dell'idrochar prodotto. Le condizioni ottimizzate per l'idrochar da residui di carbone (HCT) e l'idrochar da slurry di carbone (HCS) (150 °C, 27 bar, 95 min) hanno aumentato il carbonio fisso dal 37,31% e 53,02% al 40,31% e 57,69%, rispettivamente, sul totale il contenuto di carbonio è migliorato rispettivamente dal 42,82 al 49,80% e dal 61,85 al 66,90% mentre il contenuto di ceneri degli scarti di carbone è diminuito dal 40,32% e 24,17% al 38,3% e 20,0% se confrontati rispettivamente con CT e CS. Le condizioni Co-HTC ottimizzate (208 °C, 22,5 bar e 360 ​​min) per l'Hydrochar dalla miscela di scarti di carbone e fanghi di depurazione (HCB) hanno aumentato il carbonio fisso su base secca e il contenuto di carbonio totale dal 38,67% e 45,64% al 58,82% e al 67,0%, se confrontati rispettivamente con CT e CS. Le rese di carbonizzazione per HCT, HCS e HCB erano, rispettivamente, 113,58%, 102,42% e 129,88%. HTC e Co-HTC aumentano il potere calorifico di CT e CS, rispettivamente a 19,33 MJ/kg, 25,79 MJ/kg. I risultati mostrano inoltre che in condizioni di Co-HTC, la biomassa grezza subisce disidratazione e decarbossilazione, con conseguente diminuzione dell'idrogeno da 3,01%, 3,56% e 3,05% a 2,87%, 2,98% e 2,75% e di ossigeno da 8,79 %, 4,78 e 8,2% a 5,83%, 2,75% e 6,00% rispettivamente nei risultati HCT, HCS e HCB. Le condizioni ottimali di HTC e Co-HTC hanno aumentato l'area superficiale specifica della materia prima da 6,066 m2/g e 6,37 m2/g a 11,88 m2/g e 14,35 m2/g, rispettivamente per CT e CS. Il volume totale dei pori è aumentato a 0,071 cm3/g da 0,034 cm3/g, 0,048 cm3/g e 0,09 cm3/g, dimostrando la capacità di HTC di produrre idrocarburo di alta qualità dagli scarti di carbone da soli o in combinazione con fanghi di depurazione come precursori per la decontaminazione di acque inquinate, applicazioni di decontaminazione del suolo, combustibili solidi, stoccaggio di energia e protezione ambientale.

Il Sudafrica (SA), uno dei principali produttori di carbone al mondo, dipende in gran parte dal carbone per soddisfare il proprio fabbisogno energetico1. Secondo il National Coal Discard and Slurry Inventory del 2001 del Dipartimento dell'Energia, ogni anno vengono prodotti circa 65 milioni di tonnellate di rifiuti di carbone, la maggior parte dei quali viene smaltita in cumuli di sterili e dighe per liquami2. Lo smaltimento dei rifiuti di carbone è visto come una seria minaccia per la gestione ambientale dei rifiuti del Paese a causa della solubilizzazione di sostanze chimiche tossiche dai rifiuti di carbone e della possibilità di combustione spontanea3. Nel corso del tempo sono emersi metodi di arricchimento come processi fisico-chimici e tecniche di rigenerazione, tuttavia sono considerati inefficienti, ostili all'ambiente, laboriosi e costosi4. Tuttavia, i fanghi di depurazione (SS) vengono prodotti in quantità sostanziali dagli impianti di trattamento delle acque reflue del SA5. Le SS contengono una varietà di inquinanti organici e inorganici che si sospetta causino malattie (asma, polmonite) nelle persone che vivono vicino ai depositi di smaltimento6. Gli attuali metodi di gestione delle SS, come lo smaltimento dei terreni in loco e l'accumulo di rifiuti, sono considerati insostenibili e rimangono un grosso problema7. Di conseguenza, si ritengono necessarie strategie innovative per la gestione dei rifiuti di carbone e delle SS. Questo studio si concentra sulla carbonizzazione idrotermale (HTC) per migliorare le proprietà fisico-chimiche del carbone tailing (CT), dell'impasto liquido di carbone (CS) e di una miscela dei due carbone e SS al fine di produrre potenziali precursori di carbonio per carbone attivo e altri materiali carboniosi pregiati (prodotti a valore aggiunto). Poiché riduce al minimo la necessità di una fase di disidratazione ad alta intensità energetica, l’approccio HTC è più rispettoso dell’ambiente rispetto ad altri tipici processi termici8. HTC è un processo termochimico che utilizza acqua calda pressurizzata come reagente e catalizzatore per migliorare le proprietà fisico-chimiche di diverse materie prime9. I prodotti HTC sono costituiti da un solido denominato idrocarburo (HC), un liquido e una piccola quantità di sottoprodotti del gas9. Il lavoro precedente sul processo HTC presupponeva che la CO2 fosse il gas predominante (> 95%) emesso durante la decarbossilazione, accompagnato da altri gas come CH4, CO e H2. In condizioni HTC, la maggior parte del carbonio e dei componenti inorganici (ceneri) provenienti dalle materie prime sono concentrati nell'HC prodotto, riducendo quindi la quantità di CO2 rilasciata9,10. L'HC sintetizzato è generalmente un composto aromatico stabile con una struttura porosa e un elevato livello di idrofobicità11. Queste caratteristiche inibiscono l'ulteriore solubilizzazione dei materiali inorganici (compresi i componenti pericolosi) nell'HC quando utilizzato come adsorbente per la decontaminazione dell'acqua, ad esempio12. Le caratteristiche del combustibile dell'idrochar prodotto sono state migliorate con successo mediante HTC di carbone a basso contenuto di carbonio tra 150 e 270 °C (HC). Inoltre, l'HTC di vari tipi di carbone ha indicato che l'elevata reattività e il comportamento solvente non polare dell'acqua subcritica riducono i valori di impurità indesiderabili come la frazione di ceneri totali, ossigeno e zolfo, aumentando al contempo il contenuto di carbonio10,11,12. Tuttavia, permangono la necessità di ulteriori dati sperimentali per corroborare i lavori precedenti sull'HTC di SS o SS combinato con altre biomasse13. Inoltre, lavori precedenti hanno indicato che la carbonizzazione e le rese di massa di diverse miscele di carbone e biomassa erano estremamente efficienti rispetto al trattamento HTC di singoli materiali di carbone e biomassa. Il processo Co-HTC ha fornito condizioni acide che hanno promosso la solubilità del contenuto minerale della materia prima. Di conseguenza, se confrontato con il trattamento HTC di carbone e SS singolarmente, il trattamento Co-HTC della miscela di carbone e fanghi di depurazione ha un'alta probabilità di aumentare il contenuto di carbonio della materia prima10,11,14.