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

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 17532 (2022) Citar este artigo

1509 acessos

3 Citações

1 Altmétrica

Detalhes das métricas

Este estudo enfocou o tratamento hidrotérmico (HTC) de rejeitos de carvão (CT) e pasta de carvão (CS) e o tratamento co-hidrotérmico (Co-HTC) de CT, CS e lodo de esgoto para avaliar o potencial para aumentar o teor de carbono de o hidrocarvão produzido como facilitador de uma economia de carbono sustentável. A metodologia de combinação ótima e a metodologia de superfície de resposta foram usadas para estudar a relação entre os parâmetros importantes do processo, ou seja, temperatura, pressão, tempo de residência, relação entre carvão e lodo de esgoto e o rendimento de carbono do hidrocarvão produzido. As condições otimizadas para hidrochar de rejeito de carvão (HCT) e hidrochar 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, o 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 comparado CT e CS, respectivamente. As condições otimizadas de Co-HTC (208 °C, 22,5bars e 360 ​​min) para Hydrochar da mistura de descartes de carvão e lodo de esgoto (HCB) aumentaram o carbono fixo em base seca e o teor total de carbono 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 em uma diminuição de hidrogênio de 3,01%, 3,56% e 3,05% para 2,87%, 2,98% e 2,75%, e oxigênio 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 de superfície 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 hidrocarvão 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 suprir suas necessidades energéticas1. De acordo com o Inventário Nacional de Descarte e Polpa 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, o lodo de esgoto (SS) é produzido em quantidades substanciais pelas estações de tratamento de águas residuais da SA5. O SS contém uma variedade de poluentes orgânicos e inorgânicos suspeitos de causar doenças (asma, pneumonia) em pessoas que vivem perto de depósitos de lixo6. Os métodos atuais de gerenciamento de SS, como disposição de terra no local e empilhamento de lixo, são considerados insustentáveis ​​e continuam sendo um grande problema7. Como resultado, estratégias inovadoras para resíduos de carvão e gerenciamento de SS são consideradas necessárias. Este estudo enfoca a carbonização hidrotérmica (HTC) para melhorar as propriedades físico-químicas de rejeitos 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). Por minimizar a necessidade de uma fase de desidratação com uso intensivo de energia, a abordagem HTC é mais ecológica do que outros processos térmicos típicos8. O 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 hidrocarvão (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. Em condições de HTC, a maior parte do carbono e dos componentes inorgânicos (cinzas) das matérias-primas está concentrada no HC produzido, reduzindo assim a quantidade de CO2 liberada9,10. O HC sintetizado é geralmente um composto aromático estável com uma estrutura porosa e um alto nível de hidrofobicidade11. Essas características inibem a solubilização adicional de materiais inorgânicos (incluindo componentes perigosos) no HC quando usado como adsorvente para descontaminação de água, por exemplo12. As características de combustível do hidrocarvão produzido foram aprimoradas com sucesso pelo HTC de carvão de baixo teor de carbono entre 150 e 270 °C (HC). Além disso, o HTC de vários tipos de carvão indicou que a alta reatividade e o comportamento solvente apolar da água subcrítica reduziram os valores de impurezas indesejáveis, como fração de cinzas totais, oxigênio e enxofre, enquanto aumentavam o teor de carbono10,11,12. No entanto, ainda há necessidade de mais dados experimentais para corroborar trabalhos anteriores sobre o HTC de SS ou SS combinado com outras biomassas13. Além disso, trabalhos anteriores indicaram que a carbonização e os rendimentos de massa de diferentes misturas carvão-biomassa foram extremamente eficientes quando comparados ao tratamento HTC de materiais individuais de carvão e biomassa. O processo Co-HTC forneceu 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.