바이오 매스 열 화학적 과정에서의 CO2- 루핑
열분해 및 가스화와 같은 열 화학적 과정은 에너지 회복을 위해 바이오 매스를 활용할 수있는 가장 유망한 연료 처리 기술로 인식되어왔다. 바이오 매스의 열분해는 바이오 숯, 바이오 오일 및 신가스를 생성 할 수 있습니다. 또한, 바이오 숯의 부산물은 지속 가능한 응용을 위해 다양한 탄소 재료 (예 :흡착제, 촉매)에 제조 될 수있다. 에이전트로 작용하는 CO2는 주로 바이오 매스 열분해, 바이오 숯 가스화, 타르 크래킹/개혁 및 가스 업그레이드를 포함하여 통합 열 화학적 과정을 통해 각 단계 (예를 들어, 열분해, 가스화)에 참여할 수있는 것으로 밝혀졌다 (Shen et al., 2017). 
바이오 숯 부산물 사용
넓은 특이 적 표면적, 다공성 구조, 농축 표면 기능 그룹 및 미네랄을 갖는 바이오 숯 부산물은 오염 물질을 제거하기위한 흡착제로 사용될 수있게한다. 바이오 매스 폐기물을 Biochar로 전환하는 것은 폐기물 관리를 개선하고 환경을 보호하기위한 ''윈-윈 '전략입니다. 경제적, 환경 적 혜택으로 인해 Biochar는 수성 솔루션으로부터 오염 물질 (예 :중금속, 유기 오염 물질)의 치료를위한 유망한 자원이되었습니다.
바이오 숯의 특성은 주로 바이오 매스 유형 및 열분해 조건 (예 :체류 시간, 온도, 가열 속도)에 의존합니다. 기존의 탄화 (즉, 느린 열분해), 빠른 열분해 및 가스화는 바이오 숯 생산에 널리 사용되는 주요 열 화학적 과정입니다. 일반적으로, 상대적으로 높은 온도 (예 :600-700 OC)에서 생산 된 바이오 숯은 잘 조직 된 C 층으로 높은 향기로운 방향족을 나타내지 만 바이오 매스의 탈수 및 탈산 소화로 인해 H 및 O 그룹이 적으며, 잠재적으로는 더 낮은 이온 교환 용량이 있습니다. 한편, 낮은 온도 (예 :300-400 OC)에서 생산 된 바이오 칸은 더 다양한 유기 특성 (예 :지방족 및 셀룰로오스 유형 구조) 및 더 많은 C =O 및 C-H 기능 그룹을 갖는다. 바이오 숯의 복잡하고 이질적인 물리 화학적 조성은 흡착에 의한 오염 물질 제거를위한 우수한 플랫폼을 제공 할 수있다. 환경 적 사용을위한 바이오 숯의 활용에 대한 상당한 과학 작업에도 불구하고, 최근의 개선 효과와 환경 적 이익을 향상시키기 위해 새로운 구조와 표면 특성으로 바이오 숯의 수정에 광범위한주의가 집중되어있다.
활성화 된 탄소에 대한 바이오 숯
흡착제로서의 바이오 숯의 효과는 표면적이 낮은 것으로 제한되었다. 바이오 매스 또는 바이오 숯으로부터 활성화 된 탄소의 생산은 물리적 및 화학적 활성화의 두 가지 활성화 방법을 사용했다. 물리적 활성화는 공기, CO2 및 증기와 같은 산화 가스를 사용하는 반면, 화학 활성화는 알칼리 수산화물 (예 :NaOH, KOH), 무인산 (예 :H3PO4, HCL 및 H2SO4) 또는 금속 염 (예 :ZnCL2)과 같은 화학 활성화 제를 사용합니다. 물리적 활성화는보다 환경 친화적 인 것으로 간주됩니다. 탄소 전구체는 증기 및 CO2를 활성화 제로 사용하여 부분 가스화를 받는다. 그러나 고온 (일반적으로 900 OC 이상)에서 수행되는 물리적 활성화는 더 많은 에너지 소비가 필요합니다.
바이오 매스 또는 바이오 숯으로부터 유래 된 활성화 된 탄소의 일부 주요 점은 다음과 같습니다. (1) 불활성 환경 (예를 들어, N2) 하의 화학 활성화는 비교적 낮은 온도에서 효율적으로 인해 널리 사용됩니다. (2) 화학적 활성화는 비교적 높은 특이 적 표면적에 기여한다. (3) KOH는 탄소 가스화에 대한 우수한 촉매 효과로 인해 활성제로서 널리 사용된다; (4) 더 낮은 온도에서 바이오 매스의 초기 열분해가 높은 수율의 숯을 유발하기 때문에 (4) 바이오 숯 (즉, 2 단계)의 활성화가 고려된다. 이어서, 다공성이 열악한 숯을 가스화하여 많은 새로운 모공을 형성 할 수있다. 그러나, 저온 열분해는 또한 높은 수율의 타르를 생성 할 수있다. 따라서, 비교적 높은 온도에서 KOH를 사용한 1 단계 촉매 열분해는이 문제를 피할 수 있습니다.
흡착을위한 활성화 된 바이오 탄소
Nanjing University of Information Science and Technology (NUIST)의 연구원들은 CO2 대기 하에서 KOH- 촉매 화 된 열분해를 통해 Rice Husk (중국의 풍부한 농업 바이오 폐기물)에서 활성화 된 바이오 숯의 합성을 비교적으로 연구했습니다. 1 단계 열분해는 2 단계 열분해와 비교하여 더 높은 수율의 활성탄을 생성 할 수있다. 바이오 숯의 기공 개발은 KOH 활성화와 통합 된 탈격 공정에 의해 상당히 개선되었다. 또한, CO2 대기 하에서 탄소 구조의 K- 촉매 된 산화로 인해 1 단계 열분해를 통해 깊은 채널을 갖는 더 많은 채널을 갖는 더 많은 기공이 활성화 된 탄소의 표면에 형성되었다. 따라서, 1 단계 열분해는 활성화 된 바이오 숯의 비교적 높은 특이 적 표면적 (SBET =1836 m2/g)을 생성 할 수 있으며, 이는 페놀 흡착에서 더 나은 성능을 나타냈다. 페놀 농도가 10 mg/L (낮음) 이었기 때문에, AB1의 흡착 용량은 AB2보다 75% 더 높을 수있다 (11%). AB1은 AB2와 비교하여 비교적 낮은 농도를 갖는 페놀을 제거하는 데 더 유익하다는 것을 시사한다. 그러나, 페놀 농도는 50 mg/L (높음) 이었기 때문에 AB1의 흡착 용량은 AB2의 흡착 용량에 가깝습니다.
잠재적 메커니즘은 연구원들이 제안했습니다. 고온에서 얻은 바이오 숯은 특정 표면적, 미세 균성 및 소수성을 증가시킴으로써 유기 오염 물질의 흡착에 효과적이며, 저온에서 얻은 바이오 숯은 산소-함유 작용기, 전기 유적 인력, 침전물 및 기공-사료에 의한 무기/극성 유기 오염 물질을 제거하는 데 선호된다. 유기 흡착제로서, 페놀 분자는 액체 -film 제어 확산을 통해 내부 표면으로 전달되므로, 활성화 된 바이오 숯에 대한 페놀 흡착의 거동은 주로 화학 흡착을 통해 제어되었다. 바이오 숯은 일반적으로 -NH2/-OH, C-O, C =O 등과 같은 N 또는 O를 가진 많은 기능 그룹을 포함합니다.
또한, 활성화 된 바이오 숯의 외부 표면에있는 기능적 그룹 (예를 들어, 카르 보닐, 피 롤리 -N 그룹)은“π-π 분산 상호 작용”과“공여체-수용체 효과”를 통해 페놀 분자를 내부 표면에 끌어들일 수 있습니다. 따라서, 다층 흡착 시스템이 형성된다. 활성화 된 바이오 숯의 흡착에서 일차 구동력으로 간주되는 반 데르 발스 힘과 비교하여, 바이오 숯과 페놀 분자의 기능적 그룹 사이의 화학적 상호 작용은 흡착 능력을 향상 시키는데 더 효과적이다. 또한, 높은 특이 적 표면 영역을 갖는 활성화 된 바이오 숯의 내부 표면의 마이크로 기는 흡착 된 페놀 분자를 호스트한다.
참조 :
- Yafei Shen, Dachao MA, Xinlei GE, 바이오 매스 열분해 또는 가스화의 CO2 루프. 지속 가능한 에너지 연료 2017, 1, 1700-1729. doi :10.1039/c7se00279c
- yafei shen, Yuhong Fu, 페놀 흡착을위한 CO2 열분해를 통한 Koh 활성화 쌀 husk 숯. 재료 Today Energy 2018, 9, 397-405. doi.org/10.1016/j.mtener.2018.07.005
