バイオマス熱化学プロセスにおける CO2 ループ
熱分解やガス化などの熱化学プロセスは、バイオマスをエネルギー回収に利用できる最も有望な燃料処理技術として認識されています。バイオマスの熱分解は、バイオチャー、バイオオイル、および合成ガスを生成できます。さらに、バイオチャーの副産物は、持続可能な用途のためにさまざまな炭素材料（吸着剤、触媒など）に加工できます。エージェントとして作用する CO2 は、主にバイオマスの熱分解、バイオチャーのガス化、タール分解/改質、およびガスのアップグレードを含む統合された熱化学プロセスを通じて、各段階 (熱分解、ガス化など) に関与できることがわかりました (Shen et al. 、2017年）
Biochar 副産物の利用
大きな比表面積、多孔質構造、豊富な表面官能基、およびミネラルを備えたバイオチャー副産物により、汚染物質を除去するための吸着剤として利用することが可能になります。バイオマス廃棄物のバイオ炭への変換は、廃棄物管理の改善と環境保護の両方にとって「ウィンウィン」の戦略です。その経済的および環境上の利点により、バイオ炭は、水溶液からの汚染物質 (重金属、有機汚染物質など) の処理のための有望な資源になりました。
バイオ炭の特性は、主にバイオマスの種類と熱分解条件 (滞留時間、温度、加熱速度など) に依存します。従来の炭化 (つまり、遅い熱分解)、速い熱分解、およびガス化は、バイオ炭の生産に広く使用されている主な熱化学プロセスです。一般に、比較的高温 (例えば、600-700 oC) で生成されたバイオチャーは、よく組織化された C 層を持つ高度な芳香族を示しますが、バイオマスの脱水と脱酸素化により H と O 基が少なくなり、イオン交換容量が低下する可能性があります。一方、低温（例：300～400℃）で生成されたバイオチャーは、より多様な有機特性（例：脂肪族およびセルロース型構造）と、より多くのC=OおよびC-H官能基を持っています。バイオ炭の複雑で不均一な物理化学的組成は、収着による汚染物質除去のための優れたプラットフォームを提供できます。バイオ炭を環境用途に利用することに関するかなりの科学的研究にもかかわらず、最近では、修復効果と環境上の利点を高めるために、バイオ炭を新しい構造と表面特性で改質することに大きな注目が集まっています。
Biochar から活性炭へ
吸着剤としての biochar の有効性は、表面積が小さいために制限されています。バイオマスまたはバイオチャーからの活性炭の生産には、物理的活性化と化学的活性化の 2 つの活性化方法が使用されています。物理的活性化では、空気、CO2、蒸気などの酸化ガスを使用しますが、化学的活性化では、水酸化アルカリ (NaOH、KOH など)、無機酸 (H3PO4、HCl、H2SO4 など)、または金属塩 ( ZnCl2)。物理的な活性化は、より環境に優しいと考えられています。炭素前駆体は、活性化剤として蒸気およびＣＯ ２ を使用して部分的にガス化される。ただし、高温 (通常 900 oC 以上) で行われる物理的な活性化には、より多くのエネルギー消費が必要です。
バイオマスまたはバイオ炭由来の活性炭に関するいくつかの重要なポイントが結論付けられています。 (2) 化学的活性化は、比較的高い比表面積に寄与します。 (3) KOH は、炭素ガス化に対する触媒効果が優れているため、活性化剤として広く使用されています。 (4) バイオチャーの活性化 (すなわち、2 段階) が考慮されます。これは、低温でのバイオマスの初期熱分解がチャーの高収量を引き起こすためです。その後、気孔率の低いチャーがガス化して、多くの新しい気孔が形成されます。しかし、低温熱分解でもタールを高収率で得ることができます。したがって、比較的高温での KOH によるワンステップ接触熱分解は、この問題を回避する可能性があります。
収着用活性バイオカーボン
南京情報科学技術大学 (NUIST) の研究者は、CO2 雰囲気下での KOH 触媒熱分解による籾殻 (中国の豊富な農業バイオ廃棄物) からの活性化バイオ炭の合成を比較研究しました。一段熱分解は、二段熱分解に比べて活性炭の収率が高くなります。バイオ炭の細孔の発達は、KOH活性化と統合された脱灰プロセスによって大幅に改善されました。さらに、CO2雰囲気下での炭素構造のK触媒酸化による一段階熱分解により、活性炭の表面に深いチャネルを備えたより多くの細孔が形成されました。したがって、ワンステップ熱分解は、活性化されたバイオチャーの比較的高い比表面積（SBET =1836 m 2 / g）を生成でき、フェノール吸着でより優れた性能を示しました。フェノール濃度が 10 mg/L (低) であるため、AB1 の吸着容量は AB2 の吸着容量 (11%) よりもはるかに高い 75% に達する可能性があります。 AB1 は、AB2 と比較して比較的低い濃度で、フェノールの除去に有利であることを示唆しています。ただし、フェノール濃度が 50 mg/L (高) であるため、AB1 の吸着容量は AB2 の吸着容量に近かった。
潜在的なメカニズムは、研究者によって提案されています。高温で得られたバイオチャーは、比表面積、微孔性、および疎水性を増加させることにより、有機汚染物質の吸着に効果的ですが、低温で得られたバイオチャーは、酸素含有官能基、静電引力によって無機/極性有機汚染物質を除去するのに適しています。 、沈殿、および細孔充填。有機吸着物として、フェノール分子は液膜制御拡散を介して内部表面に通過するため、活性化されたバイオチャーへのフェノール吸着の挙動は主に化学吸着を介して制御されました。 Biochars には通常、-NH2/-OH、C-O、C=O などの N または O を持つ多くの官能基が含まれています。
また、活性化されたバイオ炭の外表面の官能基（例えば、カルボニル、ピロール-N基）は、「π-π分散相互作用」および「ドナーアクセプター効果」を介して、フェノール分子をそれらの内部表面に引き付けることができます。したがって、異なるフェノール分子の芳香環は、π-πスタッキング相互作用を形成しやすいです。したがって、多層吸着システムが形成される。活性化されたバイオチャーの吸着における主な駆動力と見なされるファンデルワールス力と比較して、バイオチャーとフェノール分子の官能基間の化学的相互作用は、吸着容量を高めるのにより効果的です。さらに、高い比表面積を持つ活性化されたバイオ炭の内部表面の微細孔は、吸着されたフェノール分子をホストします。
参考文献:
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