Развитие устойчивого активированного производства углерода с использованием возобновляемых ресурсов

Активированный уголь является одним из самых универсальных промышленных материалов, используемых сегодня, ценится за его необычайную пористость и площадь поверхности, которая может превышать 1000 м2 на грамм. Его применение охватывает очистку воды, фильтрацию воздуха, извлечение золота, медицину (как пероральный адсорбент для ядов), и как поддержка катализаторов в химических процессах. Традиционное производство долгое время зависело от невозобновляемого угля, торфа и лигнита, в сочетании с высокотемпературной термической или химической активацией, которая потребляет большое количество энергии и часто выделяет углекислый газ и другие загрязнители. Растущий толчок к экологической устойчивости и круговой экономике привел к серьезным инновациям в использовании возобновляемых, отходов, исходных материалов и более чистых, более эффективных методов активации. В этой статье рассматриваются последние разработки в области устойчивого производства активированного угля, от выбора сырья до новых технологий и проблем, которые остаются на пути к коммерческой жизнеспособности.

Устойчивый активированный углерод

Производство активированного угля из возобновляемых ресурсов - это не просто академическое любопытство; это решает фундаментальные экологические и экономические императивы. Во-первых, отходы от ископаемых видов сырья непосредственно уменьшают углеродный след материала. Добыча угля и добыча торфа сильно подрывают экосистемы, а их сжигание во время активации высвобождает накопленный углерод. Напротив, остатки сельскохозяйственного и лесного хозяйства являются биогенными - углерод, который они содержат, недавно был зафиксирован из атмосферы, поэтому использование их может приблизиться к углеродной нейтральности, если сам процесс активации будет работать на возобновляемых источниках энергии. Во-вторых, многие из этих видов сырья являются потоками отходов, которые в противном случае были бы сожжены (выпустив CO2 и твердые частицы) или оставлены на разложение, генерируя метан. Валоризация их в активированный уголь превращает проблему утилизации в поток доходов. В-третьих, устойчивое производство поддерживает децентрализованные региональные цепочки поставок. Малый масштабный блок активации вблизи рисовых мельниц или кокосовых плантаций может служить местным потребностям в очистке воды или фильтрации воздуха, сокращение транспортных выбросов и создание местной экономической устойчивости.

Мировой рынок активированного угля был оценен примерно в $4,5 млрд в 2021 году и, по прогнозам, вырастет до более чем $8 млрд к 2030 году, что будет обусловлено ужесточением экологических норм и увеличением спроса на чистую воду и воздух. Захват этого роста с помощью устойчивых методов производства может создать многомиллиардный сегмент, который одновременно смягчает отходы и климатические воздействия.

Возобновляемые кормовые запасы для активированного углерода

Выбор исходного сырья оказывает глубокое влияние на свойства, стоимость и устойчивость полученного активированного угля. Идеальное сырье имеет высокое фиксированное содержание углерода, низкую золу и структуру, которая может быть развита в поры желаемого распределения размеров. Несколько классов возобновляемых материалов были успешно продемонстрированы в лабораторных и пилотных масштабах, а некоторые уже коммерциализированы.

Сельскохозяйственные отходы

Сельскохозяйственные остатки являются наиболее широко изученным возобновляемым сырьем. Они в изобилии, недороги и часто имеют мало других ценных видов использования. Ключевые примеры включают:

• Кокосовые оболочки — Уже крупное коммерческое сырье, особенно в Шри-Ланке и Индонезии. Кокосовые оболочки твёрдые, плотные и богатые углеродом (около 75—80% фиксированного углерода после обугливания). Они производят микропористый активированный уголь, идеальный для газофазных применений, таких как противогазы и воздушные фильтры. Активация может осуществляться паром или CO2 при 800—1000°C, или химически с фосфорной кислотой или гидроксидом калия. Мировое производство кокосовых оболочек превышает 6 млн тонн в год, предлагая большую сырьевую базу.
• Рисовая шелуха — Массивный побочный продукт рисового фрезерования. Рисовая шелуха имеет высокое содержание кремнезема (15–20%), что может осложнить активацию, но также создает уникальный композитный материал. Силика может быть удалена позже или сохранена для конкретных адсорбционных свойств. Рисовый шелуха-производный активированный уголь использовался для очистки сточных вод и в качестве материала электрода суперконденсатора. Урожайность ниже, чем для древесного сырья, но изобилие (более 100 миллионов тонн в год) делает его убедительным.
• Кукурузные початки и початки — В США и других регионах выращивания кукурузы кукурузные початки являются легкодоступным лигноцеллюлозным материалом. Они производят смесь микро- и мезопор и используются для удаления красителей и адсорбции тяжелых металлов. В США производится около 200 миллионов тонн початков кукурузы ежегодно, часть которых может обеспечить значительное производство активированного угля.
• Оболочки ядра пальмы — Региональное положение в Юго-Восточной Азии, где производство пальмового масла дает большое количество оболочек ядра. Они твердые, низко-ароматизированные и похожи по качеству на кокосовые оболочки. Промышленность пальмового масла находится под давлением, чтобы управлять своими отходами, и преобразование в активированный уголь предлагает высокоценный выход.
• Оливковые камни и фруктовые ямы — распространенные в средиземноморском сельском хозяйстве, они имеют высокое содержание углерода и производят высококачественный активированный уголь для специальных применений.

Каждое сельскохозяйственное сырье имеет нюансы, влияющие на процесс активации. Высокое содержание лигнина обычно дает больше угля и лучшую разработку пор. Высокая зола может снизить чистоту продукта и потребовать дополнительной промывки. Тем не менее, разнообразие сельскохозяйственных отходов означает, что производители могут выбрать лучший местный вариант, снижая транспортные расходы и поддерживая сельскохозяйственную замкнутость.

Лесное хозяйство и древесные остатки

Лесные и лесные остатки использовались в производстве древесного угля и активированного угля на протяжении веков. Устойчивая практика лесного хозяйства, сертифицированная такими организациями, как Совет по лесному попечительству (FSC), обеспечивает, чтобы лесозаготовки не истощали лесные запасы или не наносили ущерба биоразнообразию.

• Пыль и древесная щепа — От лесопильных заводов и деревообработки. Они чистые, однородные и просты в обращении. Активированный уголь на основе древесины имеет тенденцию быть более мезопористым, подходит для адсорбции жидкостной фазы (например, для очистки воды, декооризации). Обычно используется химическая активация фосфорной кислотой, что приводит к высоким поверхностным областям (до 2000 м2/г).
• Барк и листья — Можно использовать истончение и вырубку леса от лесозаготовок, хотя кора имеет более высокое содержание золы. Если не использовать, эти остатки часто сваливаются и сжигаются или оставляют распадаться, выделяя углерод. Преобразование их в активированный уголь как секвестрирует углерод (в стабильном продукте), так и позволяет избежать выбросов от разложения.
• Дыра и тополь из коротковращающегося сопица — многолетние энергетические культуры, выращенные на маргинальных сельскохозяйственных землях, могут обеспечить специальное сырье, которое не конкурирует с производством продуктов питания. Эти быстрорастущие деревья можно собирать каждые 2-5 лет, обеспечивая предсказуемое предложение. Исследования показывают, что активированный уголь из ивы обладает хорошей адсорбционной способностью красителя.

Использование древесных остатков сертифицированного устойчивого лесного хозяйства является одним из наиболее экологически чистых маршрутов. Углеродный след может быть дополнительно уменьшен при активации, питаемой энергией, полученной из биомассы, из того же источника древесины.

Новые и новые кормовые запасы

Исследования постоянно расширяют список жизнеспособных возобновляемых источников сырья. Некоторые из наиболее заметных новых вариантов включают:

• Бамбук — быстрорастущая трава, которая может достичь зрелости через 3-5 лет. Бамбук имеет высокое содержание целлюлозы и производит активированный уголь с высокой площадью поверхности и хорошей механической прочностью. Особенно перспективным он является в тропических регионах.
• Водоросли и водоросли — Водная биомасса может культивироваться в сточных водах, обеспечивая восстановление питательных веществ и улавливание углерода. Гидроугольные и активированные углекислые газы водорослей показали эффективность для адсорбции красителей и тяжелых металлов. Масштабируемость и затраты на обработку остаются сложными, но исследования активны.
• Муниципальные твердые отходы (MSW) органическая фракция — Органическая часть MSW (пищевые отходы, дворовые отходы) может быть преобразована в биоуголь, а затем активирована. В то время как существуют опасения по поводу загрязняющих веществ (тяжелые металлы, патогены), тщательная сортировка и стирка могут производить пригодный для использования углерод. Этот подход непосредственно решает проблемы городских отходов.
• Расстояние между кофейными гущами — По оценкам, ежегодно во всем мире образуется более 10 миллионов тонн кофейных гущ. Они богаты углеродом и могут быть активированы для производства адсорбентов для очистки сточных вод. Некоторые стартапы коммерциализируют эту технологию.

Ключом к коммерческой жизнеспособности является согласованность поставок и состава. Для новых видов сырья крайне важно создание надежных систем сбора и предварительной обработки.

Производственные пути: от биомассы до высокопроизводительного углерода

Преобразование возобновляемых источников сырья в активированный уголь включает в себя два основных этапа: карбонизация (пиролиз) для получения угля и активация для развития пористости. Этап активации может быть физическим (с использованием газов) или химическим (с использованием реагентов). Новые методы направлены на объединение или рационализацию этих шагов, снижение энергии и улучшение качества продукта.

Физическая активация

Это традиционный метод: сырье сначала пиролизуется в инертной атмосфере (например, азот) при 400-800°C для отгона летучих веществ и получения угля. Затем уголь подвергается воздействию окисляющего газа - обычно пара, углекислого газа или смеси - при 800-1000°C. Газ реагирует с атомами углерода для создания пор. Активация пара производит широкое распределение пор (микро- и мезопоры), в то время как CO2 имеет тенденцию благоприятствовать микропорам. Физическая активация требует высоких температур и значительного ввода энергии, но она использует только газообразные реагенты, не оставляя химических остатков для промывки. Выход (масса активированного угля на массу сухого сырья) обычно составляет 15-30% для сельскохозяйственных материалов.

Физическая активация может быть сделана более устойчивой с использованием возобновляемых источников энергии для генерации высокой температуры. Например, газификатор биомассы может производить сингаз, который сжигается для нагрева печи, создавая почти замкнутую систему. Некоторые производители используют концентрированную солнечную тепловую энергию для достижения температуры активации, хотя это все еще в пилотном масштабе.

Химическая активация

Химическая активация включает пропитку биомассы химическим веществом, таким как фосфорная кислота (H3PO4), хлорид цинка (ZnCl2), или гидроксид калия (KOH), а затем нагревание до 400-700°C в инертной атмосфере. Химическое вещество обезвоживает биомассу, ингибируя образование смолы и способствуя развитию пор при более низких температурах, чем физическая активация. Химическая активация обычно дает более высокие выходы (30-50%) и более высокие площади поверхности (до 3000 м2/г с KOH). Однако для этого требуется химическое вещество, которое должно быть восстановлено и регенерировано, чтобы быть экономичным и экологически чистым. Активация фосфорной кислоты является наиболее распространенным коммерческим химическим процессом, особенно для углерода на основе древесины, потому что кислота может быть в значительной степени восстановлена путем промывки и повторного использования. активация KOH зарезервирована для высококачественных углеродов (например, для суперконденсаторов), где необходима экстремальная площадь поверхности, но стоимость реагента и удаление значительны.

Устойчивая химическая активация зависит от эффективного химического восстановления и минимизации образования потоков отходов. Системы замкнутого цикла, в которых активирующий агент перерабатывается, могут приближаться к устойчивости физической активации, получая выгоду от более низких энергетических потребностей.

Микроволновая активация

Микроволновое отопление предлагает радикальный отход от обычных печей. Микроволны взаимодействуют непосредственно с углеродистыми материалами, которые являются отличными поглотителями, нагревая их изнутри. Это позволяет гораздо быстрее нагревать (минуты, а не часы) и селективное отопление, которое может снизить потребление энергии на 50% по сравнению с обычными методами. Активация с помощью микроволновой печи может применяться как к физическим, так и к химическим маршрутам. Например, кокосовые оболочки, смешанные с KOH при микроволновом облучении, могут производить активированный уголь с очень высокой площадью поверхности менее чем за 10 минут. Быстрое нагревание также минимизирует нежелательные побочные реакции и может создавать уникальные поровые структуры.

Основными задачами являются расширение масштабов микроволновых реакторов (ограничение глубины проникновения партии) и достижение равномерного нагрева. Однако разрабатываются непрерывные микроволновые системы, а коммерческие установки для активированного угля существуют в Китае и Индии. Если в сочетании с возобновляемой электроэнергией, микроволновая активация может стать краеугольным камнем производства зеленого активированного угля.

Гидротермальная углеродизация (HTC) и биоугольные маршруты

HTC — это влажный процесс, в котором биомасса обрабатывается в горячей сжатой воде (180—260°C) в течение нескольких часов. Полученный гидроуголь имеет более высокое содержание углерода и более низкий уровень кислорода, чем исходная биомасса. Гидрокар затем может быть активирован химически или физически. HTC особенно полезен для высоковлажного сырья (например, осадка сточных вод, влажных пищевых отходов), которое было бы дорого высушить для обычного пиролиза. Вода действует как среда и катализатор, и процесс производит твердый уголь, жидкость, богатую органическими соединениями, и небольшое количество газа. Жидкая фракция может анаэробно перевариваться для производства биогаза, улучшая общий энергетический баланс.

Биоуголь, производимый медленным пиролиза биомассы при 350-700°С, широко используется в изменении почвы и поглощении углерода. Его можно модернизировать до активированного угля паровой или химической активации. Этот двухэтапный процесс (производство биоуголь + активация) может быть интегрирован в биоНПЗ, где биоуголь частично используется для его почвенных преимуществ и частично модернизирован для фильтрации воды. Сочетание поглощения углерода и очистки воды создает мощную синергию смягчения климата. Некоторые производители биоуголь уже предлагают «активированные» версии для сельскохозяйственных и экологических применений.

Оценка жизненного цикла и цикличность

Оценка истинной устойчивости активированного угля требует перспективы жизненного цикла. Несколько исследований показали, что активированный уголь из кокосовых оболочек или остатков древесины имеет более низкий углеродный след, чем уголь на основе углерода, при условии, что энергия активации поступает из неископаемых источников. Исследование 2020 года в журнале чистого производства [ссылка ниже] сравнило уголь, кокос и древесный уголь, обнаружив, что возобновляемые источники сократили выбросы парниковых газов на 40-60% на килограмм продукта. Когда было смоделировано микроволновое нагревание, сокращение превысило 70%. Потребление воды является еще одним соображением — химическая активация использует воду для мытья, но физическая активация имеет мало водного следа.

Сценарий круговой экономики еще более привлекателен: если отработанный активированный уголь с водоочистной установки можно регенерировать и повторно использовать (обычно теряя 5-15% за цикл), первоначальное воздействие углерода распространяется на несколько циклов использования. Сама регенерация может быть выполнена с использованием возобновляемых источников энергии, что еще больше сокращает воздействие на цикл. Варианты окончания срока службы включают использование выхлопного углерода в качестве топлива (если он содержит адсорбированные органические загрязнители) или в качестве почвенной добавки после тщательного тестирования.

В настоящее время осуществляется ряд инициатив по сертификации углеродного следа активированного угля, аналогичных Декларации об экологических продуктах (ДЭП) для строительных материалов. Такие сертификаты помогут сотрудникам по закупкам выбирать экологически чистые продукты.

Проблемы и барьеры для широкого распространения усыновления

Несмотря на обещание, устойчивое производство активированного угля сталкивается со значительными препятствиями. В первую очередь это конкурентоспособность затрат. . Активированный уголь на основе угля выигрывает от десятилетий оптимизированного крупномасштабного производства с относительно низкими затратами на сырье (уголь дешев на единицу энергии). Возобновляемые сырьевые материалы часто требуют сбора, транспортировки и предварительной обработки (сухость, шлифование), которые могут добавить стоимость. Малое децентрализованное производство может достичь премиального ценообразования на нишевых рынках (например, фильтры для воды с органической сертификацией), но оно изо всех сил пытается конкурировать с товарными сортами.