Análise físico-química e estrutural de descartes de carvão (e lodo de esgoto) (co)

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 17532 (2022) Citar este artigo

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Este estudo concentrou-se no tratamento hidrotérmico (HTC) de rejeitos de carvão (CT) e lama de carvão (CS) e no tratamento co-hidrotérmico (Co-HTC) de CT, CS e lodo de esgoto para avaliar o potencial de aumento do teor de carbono de o hidrochar produzido como um facilitador para uma economia de carbono sustentável. A metodologia de combinação ideal e a metodologia de superfície de resposta foram utilizadas para estudar a relação entre os parâmetros importantes do processo, nomeadamente temperatura, pressão, tempo de residência, relação carvão/lodo de esgoto e o rendimento de carbono do hidrocarvão produzido. As condições otimizadas para hidrocarvão de rejeito de carvão (HCT) e hidrocarvão de pasta de carvão (HCS) (150 °C, 27 bar, 95 min) aumentaram o carbono fixo de 37,31% e 53,02% para 40,31% e 57,69%, respectivamente, do total o teor de carbono melhorou de 42,82 para 49,80% e de 61,85 para 66,90%, respectivamente, enquanto o teor de cinzas dos descartes de carvão diminuiu de 40,32% e 24,17% para 38,3% e 20,0% quando comparados CT e CS respectivamente. Condições otimizadas de Co-HTC (208 °C, 22,5 bar e 360 ​​min) para Hydrochar a partir da mistura de descartes de carvão e lodo de esgoto (HCB) aumentaram o carbono fixo em base seca e o teor de carbono total de 38,67% e 45,64%. para 58,82% e 67,0%, quando comparados CT e CS respectivamente. Os rendimentos de carbonização para HCT, HCS e HCB foram, respectivamente, 113,58%, 102,42% e 129,88%. HTC e Co-HTC aumentam o poder calorífico de CT e CS, para 19,33 MJ/kg, 25,79 MJ/kg, respectivamente. Os resultados mostram ainda que sob condições de Co-HTC, a biomassa bruta sofre desidratação e descarboxilação, resultando numa diminuição do hidrogénio de 3,01%, 3,56% e 3,05% para 2,87%, 2,98% e 2,75%, e do oxigénio de 8,79%. %, 4,78 e 8,2% a 5,83%, 2,75% e 6,00% no HCT, HCS e HCB resultantes, respectivamente. As condições ótimas de HTC e Co-HTC aumentaram a área superficial específica da matéria-prima de 6,066 m2/ge 6,37 m2/g para 11,88 m2/ge 14,35 m2/g, para CT e CS, respectivamente. O volume total de poros aumentou para 0,071 cm3/g de 0,034 cm3/g, 0,048 cm3/g e 0,09 cm3/g, comprovando a capacidade da HTC de produzir hidrochar de alta qualidade a partir de descartes de carvão, sozinho ou em conjunto com lodo de esgoto como precursores para descontaminação de águas poluídas, aplicações de descontaminação do solo, combustíveis sólidos, armazenamento de energia e proteção ambiental.

A África do Sul (SA), um dos principais produtores de carvão do mundo, depende em grande parte do carvão para satisfazer as suas necessidades energéticas1. De acordo com o Inventário Nacional de Descarte de Carvão e Lama de Carvão de 2001 do Departamento de Energia, cerca de 65 milhões de toneladas de resíduos de carvão são produzidos a cada ano, sendo a maior parte desses resíduos descartada em pilhas de rejeitos e barragens de lama2. A eliminação de resíduos de carvão é vista como uma séria ameaça à gestão de resíduos ambientais do país devido à solubilização de produtos químicos tóxicos dos resíduos de carvão e à possibilidade de combustão espontânea3. Métodos de beneficiamento, como processos físico-químicos e técnicas de regeneração, surgiram ao longo do tempo, porém são vistos como ineficientes, hostis ao meio ambiente, trabalhosos e caros4. No entanto, as lamas de esgoto (SS) são produzidas em quantidades substanciais pelas estações de tratamento de águas residuais da África do Sul5. O SS contém uma variedade de poluentes orgânicos e inorgânicos que são suspeitos de causar doenças (asma, pneumonia) em pessoas que vivem perto de depósitos de resíduos6. Os actuais métodos de gestão de SS, tais como a eliminação de terrenos no local e a pilha de lixo, são considerados insustentáveis ​​e continuam a ser um problema importante7. Como resultado, estratégias inovadoras para a gestão de resíduos de carvão e SS são consideradas necessárias. Este estudo concentra-se na carbonização hidrotérmica (HTC) para melhorar as propriedades físico-químicas do resíduo de carvão (CT), pasta de carvão (CS) e uma mistura dos dois carvão e SS, a fim de produzir potenciais precursores de carbono para carvão ativado e outros. materiais carbonáceos valiosos (produtos de valor agregado). Como minimiza a necessidade de uma fase de desidratação com uso intensivo de energia, a abordagem HTC é mais ecológica do que outros processos térmicos típicos8. HTC é um processo termoquímico que utiliza água quente pressurizada como reagente e catalisador para melhorar as propriedades físico-químicas de diversas matérias-primas9. Os produtos HTC consistem em um sólido denominado hidrochar (HC), um líquido e uma pequena quantidade de subprodutos gasosos9. Trabalhos anteriores sobre o processo HTC assumiram que o CO2 é o gás predominante (> 95%) emitido durante a descarboxilação, acompanhado por outros gases como CH4, CO e H2. Nas condições de HTC, a maior parte do carbono e dos componentes inorgânicos (cinzas) das matérias-primas concentra-se no HC produzido, reduzindo assim a quantidade de CO2 liberada9,10. O HC sintetizado é geralmente um composto aromático estável com estrutura porosa e alto nível de hidrofobicidade. Estas características inibem a solubilização adicional de materiais inorgânicos (incluindo componentes perigosos) no HC quando utilizado como adsorvente para descontaminação de água, por exemplo12. As características do combustível do hidrochar produzido foram melhoradas com sucesso pelo HTC de carvão com baixo teor de carbono entre 150 e 270 °C (HC). Além disso, a HTC de vários tipos de carvão indicou que a alta reatividade e o comportamento solvente não polar da água subcrítica reduziram os valores de impurezas indesejáveis, como fração de cinza total, oxigênio e enxofre, ao mesmo tempo que aumentou o teor de carbono . No entanto, permanece a necessidade de mais dados experimentais para corroborar trabalhos anteriores sobre o HTC de SS ou SS combinado com outras biomassas . Além disso, trabalhos anteriores indicaram que a carbonização e os rendimentos de massa de diferentes misturas de carvão-biomassa foram extremamente eficientes quando comparados ao tratamento HTC de carvão e materiais de biomassa individuais. O processo Co-HTC proporcionou condições ácidas que promoveram a solubilidade do conteúdo mineral da matéria-prima. Como resultado, quando comparado ao tratamento HTC de carvão e SS individualmente, o tratamento Co-HTC da mistura de carvão e lodo de esgoto tem uma alta probabilidade de aumentar o teor de carbono da matéria-prima10,11,14.