石炭廃棄物（および下水汚泥）の物理化学的・構造解析（co）

Scientific Reports volume 12、記事番号: 17532 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この研究は、石炭尾鉱（CT）および石炭スラリー（CS）の水熱処理（HTC）と、CT、CSおよび下水汚泥の共水熱処理（Co-HTC）に焦点を当て、石炭の炭素含有量を増加させる可能性を評価しました。持続可能な炭素経済を可能にするものとして生産される炭化水素。 最適な組み合わせ方法論と応答曲面方法論を使用して、重要なプロセスパラメータ、つまり温度、圧力、滞留時間、石炭対下水スラッジ比、および生成される炭化水素炭の炭素収量の間の関係を研究しました。 石炭尾鉱からの炭化水素炭 (HCT) と石炭スラリーからの炭化水素炭 (HCS) の最適化条件 (150 °C、27 bar、95 分) により、固定炭素はそれぞれ 37.31% と 53.02% から 40.31% と 57.69% に増加しました。 CTとCSと比較すると、炭素含有量はそれぞれ42.82％から49.80％、61.85％から66.90％に改善したが、石炭廃棄物の灰含有量はそれぞれ40.32％と24.17％から38.3％と20.0％に減少した。 石炭廃棄物と下水汚泥 (HCB) の混合物からの炭化水素炭の最適化された Co-HTC 条件 (208 °C、22.5 バール、360 分) により、乾燥ベースでの固定炭素と総炭素含有量が 38.67% と 45.64% から増加しました。 CT と CS を比較すると、それぞれ 58.82% と 67.0% になります。 HCT、HCS、HCBの炭化収率はそれぞれ113.58%、102.42%、129.88%でした。 HTC と Co-HTC は CT と CS の発熱量をそれぞれ 19.33 MJ/kg、25.79 MJ/kg に増加させます。 さらに、結果は、Co-HTC 条件下では、原料バイオマスが脱水と脱炭酸を受け、その結果、水素が 3.01%、3.56%、3.05% から 2.87%、2.98%、2.75% に減少し、酸素が 8.79% から減少することを示しています。得られる HCT、HCS、および HCB では、それぞれ %、4.78、および 8.2% から 5.83%、2.75%、および 6.00% になります。 HTC および Co-HTC の最適条件により、原料の比表面積は、CT および CS について、それぞれ 6.066 m2/g および 6.37 m2/g から 11.88 m2/g および 14.35 m2/g に増加しました。 総細孔容積は、0.034 cm3/g、0.048 cm3/g、0.09 cm3/g から 0.071 cm3/g に増加し、HTC が石炭廃棄物単独または除染の前駆体として下水汚泥と組み合わせて高品質の炭化水素を生成できることが証明されました。汚染水の除去、土壌除染用途、固体可燃物、エネルギー貯蔵、環境保護。

世界有数の石炭生産国の 1 つである南アフリカ (SA) は、エネルギー需要の供給の大部分を石炭に依存しています1。 エネルギー省の 2001 年の全国石炭廃棄およびスラリー目録によると、毎年約 6,500 万トンの石炭廃棄物が生成され、これらの廃棄物の大部分は尾滓杭とスラリーダムに処分されています2。 石炭廃棄物の処理は、石炭廃棄物からの有毒化学物質の可溶化と自然発火の可能性により、国の環境廃棄物管理に対する深刻な脅威とみなされています3。 物理化学的プロセスや再生技術などの選鉱方法が時間の経過とともに出現してきましたが、それらは非効率的で環境に優しくなく、手間がかかり、高価であるとみなされています4。 しかし、下水汚泥 (SS) は SA 廃水処理施設から大量に生成されます5。 SS にはさまざまな有機および無機汚染物質が含まれており、廃棄貯蔵庫の近くに住む人々に病気（喘息、肺炎）を引き起こす可能性があると考えられています6。 敷地内での土地処分やゴミの山積みなど、現在の SS 管理方法は持続不可能であると考えられており、依然として大きな問題となっています7。 その結果、石炭廃棄物とSS管理に対する革新的な戦略が必要であると考えられています。 この研究は、活性炭などの潜在的な炭素前駆体を生成するために、石炭尾鉱 (CT)、石炭スラリー (CS)、および 2 つの石炭と SS の混合物の物理化学的特性を強化する水熱炭化 (HTC) に焦点を当てています。貴重な炭素質材料（付加価値のある製品）。 HTC のアプローチは、エネルギーを大量に消費する脱水段階の必要性を最小限に抑えるため、他の一般的な熱プロセスよりも環境に優しい8。 HTC は、高温加圧水を反応剤および触媒として使用して、さまざまな原材料の物理化学的特性を改善する熱化学プロセスです9。 HTC 製品は、炭化水素 (HC) と呼ばれる固体、液体、および少量のガス副生成物で構成されています9。 HTC プロセスに関するこれまでの研究では、CO2 が脱炭酸中に放出される主なガス (> 95%) であり、CH4、CO、H2 などの他のガスも伴うと想定されていました。 HTC 条件下では、原料からの炭素および無機成分 (灰分) の大部分が生成された HC に集中するため、放出される CO2 の量が減少します9,10。 合成される HC は一般に、多孔質構造と高い疎水性レベルを備えた安定な芳香族化合物です11。 これらの特徴は、例えば水の汚染除去のための吸着剤として使用される場合に、HC 内の無機物質 (有害成分を含む) のさらなる可溶化を抑制します12。 製造された炭化水素炭の燃料特性は、150 ～ 270 °C (HC) の低炭素含有量石炭の HTC によって向上することに成功しました。 さらに、さまざまな種類の石炭の HTC は、亜臨界水の高い反応性と非極性溶媒の挙動により、炭素含有量が増加する一方で、全灰分の割合、酸素、硫黄などの望ましくない不純物の値が減少することを示しています10、11、12。 しかし、SS または他のバイオマスと組み合わせた SS の HTC に関する以前の研究を裏付けるさらなる実験データの必要性が依然として残っています 13。 さらに、以前の研究では、さまざまな石炭とバイオマスの混合物の炭化と質量収率が、個々の石炭およびバイオマス材料の HTC 処理と比較して非常に効率的であることが示されています。 Co-HTC プロセスは、原料のミネラル含有量の溶解を促進する酸性条件を提供しました。 その結果、石炭と SS を個別に HTC 処理する場合と比較した場合、石炭と下水汚泥の混合物の Co-HTC 処理は、原料炭素含有量を増加させる可能性が高くなります 10,11,14。