פיתוח ייצור פחמן מופעל בר קיימא באמצעות משאבים חדשים

פחמן מופעל הוא אחד החומרים התעשייתיים המחודשים ביותר בשימוש כיום, פרס על שטח הפודוזיות והמשטח יוצא דופן שלו שיכול לעלות על 1,000 מ"ר לגרם. היישומים שלה משתרעים על טיהור מים, סינון אוויר, שחזור זהב, תרופות (כמודעות אוראליות להרעלת פחמן), וכסיוע לזרזים כימיים גדולים יותר.

המקרה של פחמן פעיל בר קיימא

הפחתת פחמן מופעל ממשאבים מתחדשים אינה רק סקרנות אקדמית; היא מתייחסת לציוויים סביבתיים וכלכליים בסיסיים. ראשית, הרחק ממאגרי מזון מבוססי מאובנים או מקטין ישירות את טביעת הרגל פחמן של החומר. Coal כרייה ומיצוי אגוואט הם מאוד משבשים למערכת האקולוגית, ואת ההבעירה שלהם במהלך הפעלת פליטות פחמן דו-חמצני.

שוק הפחמן המופעל בעולם מוערך בכ-4.5 מיליארד דולר בשנת 2021 והוא צפוי לגדול ליותר מ-8 מיליארד דולר עד 2030, מונע על ידי הידוק תקנות סביבתיות וביקוש מוגבר למים נקיים ולאוויר.לעבור צמיחה זו עם שיטות ייצור בר קיימא יכול ליצור פלח של מיליארדי דולרים אשר בו זמנית מקטין את הפסולת ואת השפעות האקלים.

מזון חדש ל- Carbon

הבחירה של הזנהטוק משפיע עמוקות על התכונות, עלות ועל קיימות של פחמן מופעל וכתוצאה מכך, ניזונים אידיאליים יש תוכן פחמן קבוע גבוה, אפר נמוך, ומבנה שניתן לפתח לתוך pores של חלוקת גודל הרצויה.כמה שיעורים של חומרים מתחדשים הוכח בהצלחה בקנה מידה מעבדה וטייס, וחלקם כבר ממושמעים.

פסולת חקלאית

שאריות חקלאיות הן המאכלים המתחדשים הנפוצים ביותר.הם בשפע, בעלות נמוכה, ולעתים קרובות יש מעט שימוש בערכים גבוהים אחרים.

• (FLT:0 פגזי הקונקונאוט (CoconutפגזsFLT:1) - כבר מזין מסחרי גדול, במיוחד בסרי לנקה ואינדונזיה. כי קונקס הם קשים, צפופים ועשירים בפחמן (כ-75–80% פחמן קבוע לאחר charring) הם מייצרים פגז פחמן מופעל מיקרו- ⁇ מופעל פחמן פעיל עבור יישומים של גזים ופילטרים אוויריים.
• (FLT:0Rice husksFLT:1) - תוצר לוואי מסיבי של אורז מזחלות. רייס יש תוכן גבוה סיליקה (15-20%), אשר יכול לסבך הפעלה אבל גם יוצר חומר מורכב ייחודי. Silica ניתן להסיר מאוחר יותר או נשמר עבור מודעות ספציפיות.
• (FLT:0Corn cobs and תנורים 1) - בארצות הברית ובאזורים אחרים של תירס, cobs תירס הם חומר ליגנולוסי זמין בקלות.הם מייצרים תערובת של מיקרו-מסטר ומנוחיות ומשמשים להסרת צבע ומודעות מתכת כבדות.
• (FLT:0) פגזים גרעין של חץ 1: (FLT:1) - נטייה אזורית בדרום מזרח אסיה, שבו ייצור שמן דקל מניב כמויות גדולות של פגזים גרעין.הם קשים, נמוכים, דומים באיכות לזולת קוקוס.תעשיית שמן דקל נמצאת תחת לחץ לנהל את הפסולת שלה, וההמרות לפחמן מופעלת ערך גבוה.
• (ב) ,0) אבני אוברס ופרי פריים 1 ( Common in Mediterranean Agriculture, אלה יש תוכן פחמן גבוה לייצר פחמן מופעל ברמה גבוהה עבור יישומים מיוחדים.

לכל מזון חקלאי יש קצבאות המשפיעות על תהליך ההפעלה.תוכן של מנוף גבוה מניב בדרך כלל יותר כריז ופיתוח טוב יותר של אפר גבוה יכול להפחית את טוהר המוצר ודורש כביסה נוספת.

יערות ווודות

שאריות עץ ויער שימשו פחם והפעלה ייצור פחמן במשך מאות שנים. פרקטיקות יער בר קיימא - מאושר על ידי ארגונים כמו יער Stewardship מועצת (FSC) - להבטיח כי logging לא מרוקן יערות או לפגוע במגוון ביולוגי.

• (FLT:0Sawdust ו-Erching צ'יפסFLT:1) - ממילימטרים ועבודות עץ.אלה נקיים, אחידים וקלים לטפל בהם.פחמן המופעל על ידי ווד נוטה להיות יותר meso ⁇ , מתאים לפרסומות נוזליות (למשל, טיהור מים, טיהור) פעילות כימית עם חומצה זרחנית משמשת בדרך כלל, תשואה גבוהה ל-2,000 משטח (למעלה מ'2 גרם).
• (FLT:0) Bark and LeavesFLT:1 - יערות דקים וחיתוך מ- slash מ- slash ניתן להשתמש, למרות שלברוק יש תוכן גבוה יותר אפר.אם לא מנוצל, שאריות אלה לעתים קרובות ערומים ושרוף או שמאלה כדי לקלקל, פולט פחמן.
• (FLT:0) ווילו ופופלר מקיצור גזר דין של סיקור 1: 1 - גידולי אנרגיה רב שנתי שגדלו על אדמה חקלאית שולית יכולים לספק מזון ייעודי שאינו להתחרות בייצור מזון.עצים אלה צומחים במהירות ניתן לקציר כל 2-5 שנים, מתן היצע צפוי.

באמצעות שאריות עץ מ יער בר קיימא מוסמך הוא אחד המסלולים היפים ביותר מבחינה סביבתית. טביעת הרגל פחמן ניתן להפחית עוד יותר כאשר הפעלה מופעלת על ידי אנרגיה biomass-derived מאותה אספקת עץ.

חידוש ורומן Feedstocks

מחקרים מרחיבים את הרשימה של הזנות מתחדשות קיימא.חלק מהאפשרויות המתעוררות הבולטות כוללות:

• (FLT:0)BamboophFLT:1 - דשא צומח במהירות שיכול להגיע לבגרות ב 3-5 שנים. Bamboo יש תוכן צלולוזי גבוה ומייצר פחמן מופעל עם שטח פני השטח גבוה וכוח מכני טוב.זה מבטיח במיוחד באזורים טרופיים.
• (FLT:0) אלגה ו SeaweedFLT:1) - ביומסה מים במים פסולת, מתן התאוששות תזונתית ולכידת פחמן. Algae-derived hydrochars ופחמן פעיל הוכיחו יעילות עבור מודעות צבע כבד מתכת. Scalability ועלויות עיבוד נשאר מאתגר אך המחקר הוא פעיל.
• (FLT:0) פסולת מוצקה של חלקיק אורגני (MSW) שבריריות חלקלקה 1:1 - החלק האורגני של MSW (פיסות מזון, פסולת חצר) יכול להיות מומר ביושר ולאחר מכן מופעל. בעוד חששות על contaminants (מתכות כבדות, פתוגנים) קיימים, מנקה זהירה וטיפה יכול לייצר פחמן ברישרין ישירות לבעיות פסולת עירונית.
• (FLT:0) עילה לקפה ספיריט 1:1 - הערכות מצביעות על יותר מ-10 מיליון טון של עילה לקפה נוצרים מדי שנה.הם עשירים בפחמן ויכולים להיות מופעלים כדי לייצר מודעות לטיפול במים.

המפתח לכדאיות מסחרית הוא עקביות של אספקה וקומפוזיציה.עבור הזנות חדשניות, בניית אוסף אמין ומערכות עיבוד מראש הוא חיוני.

נתיבי ייצור: מביומסה ועד פחמן רב-הפרס

המרת הזנות המתחדשות לפחמן מופעל כולל שני שלבים עיקריים: פחמן (פירוטליסציה) לייצר כריז, והפעלה לפיתוח נקבוביות.שלב ההפעלה יכול להיות פיזי (באמצעות גזים) או כימי (באמצעות רדיאטנים). טכניקות מתפתחות נועדו לשלב או לייעל את השלבים האלה, להפחית את האנרגיה ולשפר את איכות המוצר.

פעילות גופנית

זוהי השיטה המסורתית: להאכיל הוא הראשון pyrolyzed באווירה לא מוכרת (למשל, חנקן) 400-800 מעלות C כדי להסיע תנודתיים לייצר char.הכריז נחשף אז לגז מינון - בדרך כלל מופעל, פחמן דו חמצני, או תערובת - ב-800-1000 מעלות צלזיוס.הגז מגיב עם פחמן כדי ליצור pores כימי יעיל (או הפעלה מחדש של פחמן) אבל בדרך כלל לא דורש רק חומר חמצן גבוה.

הפעלה גופנית יכולה להיות יותר בר קיימא על ידי שימוש באנרגיה מתחדשת כדי לייצר חום גבוה.לדוגמה, ממריץ ביומסה יכול לייצר סינגות שנשרף כדי לחמם את הכבש, יצירת מערכת כמעט סגורה-loop. כמה יצרנים משתמשים אנרגיה תרמית מרוכזת כדי להגיע לטמפרטורות הפעלה, אם כי זה עדיין בקנה מידה הטייס.

הגשמה כימית

הפעלה כימית כוללת פיזור הביומסה עם כימי כגון חומצה זרחנית (H3PO4), אבץ chloride (ZnCl2), או אשלגן hydroxide (KOH), ולאחר מכן חימום ל 400-700 מעלות צלזיוס באטמוספירה אינרציה כימית, אך הדה-pvate הכימית היא בעלת השפעה גבוהה יותר על פני השטח של פחמן OHates, אך היא מונעת היווצרות tar וקידום טמפרטורות נמוכות יותר מאשר הפעלה פיזית (בדרך כלל) כלומר, 000 גרם ל- 300 גרם ל-Ric יעיל יותר מאשר פעילות גופנית.

הפעלה כימית בת קיימא תלויה בהחלמה כימית יעילה וצמצום ייצור הפסולת.מערכות סגורות-לופ שבו הסוכן המתפקד ממוחזר יכול לגשת לקיימות של הפעלה פיזית תוך ניצול מדרישות אנרגיה נמוכות יותר.

המונחים: מיקרוגל-Assisted Activation

חימום מיקרוגל מציע יציאה רדיקלית מן השפע הרגיל.מיקרוגל אינטראקציה ישירות עם חומרים פחמן, אשר הם סופגנים מצוינים, חימום אותם מבפנים החוצה.זה מאפשר הרבה יותר מהר שיעורי חימום מהירים יותר ( דקות ולא שעות) חימום סלקטיבית שיכול להפחית צריכת אנרגיה עד 50% בהשוואה לשיטות אלקטרו-מעונות לא רצויות ניתן ליישם גם על ידי מסלולים פיזיים וכימיקליים.

האתגרים העיקריים הם דרוג כורים מיקרוגל (שטח עומק תפוצה בגודל אצווה) והשגת חימום אחיד.עם זאת, מערכות מיקרוגל רציף מפותחות, ויחידות מסחריות עבור פחמן פעיל קיימים בסין והודו.אם בשילוב עם חשמל מתחדש, הפעלת מיקרוגל עלולה להפוך אבן הפינה של ייצור פחמן מופעל ירוק.

Carbonization hydrothermal (HTC) ו- Biochar- Based Routes

HTC הוא תהליך רטוב שבו ביומסה מטופלת במים חמים דחוסים (180-260 מעלות צלזיוס) במשך כמה שעות.ה הידרוכריז וכתוצאה מכך יש תוכן פחמן גבוה יותר חמצן נמוך יותר מאשר הביומסה המקורית. הידרוכריז יכול להיות מופעל כימית או פיזית. HTC הוא שימושי במיוחד עבור מזון עתיר גבוה (למשל, שפכים, מזון רטוב) כי יהיה יקר כדי להיות יעיל עבור תרכובת נוזלית, כמו גם חומר נוזלי, חומר נוזלי, כמו גם חומר נוזלי, חומר נוזלי אורגני.

ביושר, המיוצר על ידי pyrolysis איטי של ביומסה ב 350-700 מעלות צלזיוס, משמש נרחב תיקון הקרקע ו פליטה פחמן.זה יכול להיות משודרג פחמן מופעל על ידי קיטור או הפעלה כימית. תהליך זה שני שלבים (ייצור ביושר + הפעלה) יכול להשתלב לתוך ביו-רפיראט שבו ביושר משמש חלקית עבור היתרונות הקרקע שלה משודרגת חלקית עבור צינורות מים עבור שילוב פחמן ו-הרסציה.

הערכה מחזור חיים ו Circularity

הערכת הקיימות האמיתית של פחמן מופעל דורשת נקודת מבט מחזור חיים.כמה מחקרים הראו כי פחמן מופעל מפגזי קוקוס או שאריות עץ יש טביעת רגל פחמן נמוכה יותר מאשר פחמן מבוסס פחם, בתנאי אנרגיית ההפעלה מגיעה ממקורות שאינם פוספסים. A 2020 מחקר ב-FLT:0Journal of ניקויer טביעת רגל 1LT (שקשור להלן) לעומת קוקוס, פחמן, ומבוסס על ידי צריכת דלקות מים מופחתת, 000.

תרחיש הכלכלה המעגלית הוא אפילו יותר אטרקטיבי: אם הפחמן הפעיל מצמח טיפול במים יכול להיות regenerated ו reuse (בדרך כלל לאבד 5-15% מחזור), ההשפעה הראשונית פחמן מתפשט על מחזורי שימוש מרובים.התחדשות עצמה ניתן לעשות באמצעות אנרגיה מתחדשת, עוד צמצום אפשרויות מחזור חיים מחזורי.

יוזמות רבות ממשיכות לאשר את טביעת הרגל של פחמן מופעל, בדומה להצהרת מוצרים סביבתיים (EPDs) לבניית חומרים. הסמכה כזו תעזור לקציני רכש לבחור מוצרים בר קיימא.

אתגרים ומכשולים לאימוץ נרחב

למרות ההבטחה, ייצור פחמן מופעל בר קיימא עומד בפני שפע של ייצור משמעותי.העיקר הוא (FLT:0cost תחרותיות FLT:1 ; Coal-based מופעל פחמן יתרונות של עשרות שנים של ייצור מותאם, בקנה מידה גדול עם עלויות זול יחסית של הזנות נמוכה (coal is low per Energy) ניזונים מחדש דורשים לעתים קרובות איסוף, תחבורה, ו preprocessing (ד, שחיקה) שיכול להוסיף תמחור מבוזר, אך ניתן להגדיל את העלות של מים מבוזרת).

(FLT:0) מכלול עקביות (FLT) 1 הוא מחסום נוסף. פסולת חקלאית משתנה עונתית ובאזור. A אצווה של קליפות קוקוס שננקטו לאחר איות יבש עשוי להיות תוכן מלוטין גבוה יותר מאשר אחד לאחר גשם כבד. מפיקים חייבים או לערבב הזנות, לפתח שליטה בתהליך חזק (תיקון טמפרטורה, זמן, יחסי רגנטי), או לקבל מוצר פנוי, במיוחד, משתמשים קלים לעיבוד תרופות, או טיפול תרופתי.

(FLT:0) של טכנולוגיות מתפתחות: 1FLT) הוא אתגר שלישי. כורי מיקרוגל המבצעים היטב בקנה מידה הקילוגרם עשויים לא להגיע בקלות לטון ליום.פיזיקה של הגבלת מיקרוגל; עיצובים המשתמשים במספר רב של חללים או דגנים חגורתיים רצופים עדיין להיות מושלמים.

לבסוף, (FLT:0)פוליסות ותנאי שוק 1 משנה ללא תמחור פחמן או סובסידיות למוצרים המבוססים על ביו, פחמן מבוסס פחם שומר על מחיר נמוך מלאכותי של יצרן מורחב (EPR) תוכניות עבור מסננים מים או מנחות אוויר יכול להגדיל את השימוש של פחמן מתחדשים.

כיוונים עתידיים וקרנות מחקר

כדי להאיץ את המעבר, כמה כיוונים מחקר הם קריטיים.1,FLT:0.comhine Learning and Process OptimizationveFLT:1 יכול לעזור להתאים את תכונות ההזנה בתנאי הפעלה בזמן אמת, צמצום האנרגיה והבזבוז הכימי.II, CHFLT:2combined חום וכוח (CHP) LT:3 באמצעות גזים תנודתיים מ-Ricretralysis כדי לייצר חשמל עבור פעילות עצמית יכול להפוך את פעילות גופנית יעילה של מערכת אנרגיה קטנה של פחמן-S.

שלישית, (FLT:0) הפעלת הפעלה אנליטית (FLT:1) באמצעות זרזים חדשים (למשל, מעבר מלחי מתכת) יכול להוריד את טמפרטורות ההפעלה ואת הזמן, חיסכון אנרגיה.רביעי, FLT:2functionalized פחמן 3sveFLT 3 מותאמים עבור ממזהמים ספציפיים (למשל, כספית, PFAS) יכול לשלוט על מחירים גבוהים יותר להצדיק הזנות מאנרגיה מתחדשת על ידי פחמן דלפקירנים מלוטין הוא בשפע על ידי פחמן דו-חמצני.

שיתוף פעולה בתעשייה הוא חיוני לחברות כמו FLT:0 (CarbonhaltigphtsFLT) 1 (סטארט-אפ המתמקד פחמן מופעל על ידי ביו-בסיס פסולת חקלאית) ו-FLT:2Picaפינלנד FigFLT:3 הם שיווק ייצור בר-קיימא. מוסדות אקדמיים כמו FLT:4KTH המכון המלכותי לטכנולוגיהFLT:5 מפתחים עיצובים חדשים של מיקרוגל.

התערבות מדיניות יכולה לכלול זיכויים מס עבור פחמן מבוסס ביומסה, הכללה בקריטריונים של רכש ציבורי ירוק, מימון עבור צמחי הפגנה.עם תערובת נכונה של פיתוח טכנולוגיה ותמיכה בשוק, פחמן פעיל בר קיימא יכול לעבור ממוצר נישה לסטנדרט בתעשייה בתוך עשור.

מסקנה

ייצור פחמן פעיל בר קיימא ממשאבים מתחדשים הוא יעיל מבחינה טכנית וסביבתית. מגוון רחב של שאריות חקלאיות ויערות יכול לשמש כמו הזנות, ושיטות הפעלה חדשניות - במיוחד מסלולים מבוססי מיקרוגל ומבוססים על ביושר - הם מורידים דרישות אנרגיה ומאפשרים ייצור מבוזר של תעשיית החשמל, ובכך להגדיל באופן משמעותי את יעילות ייצור אנרגיה מתחדשת.