석탄폐기물(및 하수슬러지)의 물리화학적, 구조분석 (주)

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 17532(2022) 이 기사 인용

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본 연구에서는 석탄 광미(CT)와 석탄 슬러리(CS)의 열수 처리(HTC)와 CT, CS 및 하수 슬러지의 열수 처리(Co-HTC)에 중점을 두고 석탄 함량 증가 가능성을 평가했습니다. 지속 가능한 탄소 경제를 가능하게 하는 수단으로 생산되는 하이드로차. 최적의 조합 방법론과 반응 표면 방법론을 사용하여 중요한 공정 매개변수, 즉 온도, 압력, 체류 시간, 석탄-하수-슬러지 비율 및 생산된 하이드로차의 탄소 수율 간의 관계를 연구했습니다. 석탄 테일링(HCT)으로부터의 하이드로차와 석탄 슬러리(HCS)로부터의 하이드로차(150°C, 27bar, 95분)에 대한 최적화된 조건은 고정 탄소를 각각 37.31% 및 53.02%에서 40.31% 및 57.69%로 증가시켰습니다. CT와 CS에 비해 탄소함량은 각각 42.82%에서 49.80%, 61.85에서 66.90%로 개선된 반면, 폐석탄의 회분함량은 각각 40.32%, 24.17%에서 38.3%, 20.0%로 감소했다. 석탄 폐기물과 하수 슬러지(HCB) 혼합물의 Hydrochar에 대해 최적화된 Co-HTC 조건(208°C, 22.5bar, 360분)은 건조 기준으로 고정 탄소를 증가시켰고 총 탄소 함량을 38.67%와 45.64%에서 증가시켰습니다. CT와 CS를 각각 비교하면 58.82%와 67.0%입니다. HCT, HCS 및 HCB의 탄화 수율은 각각 113.58%, 102.42% 및 129.88%였습니다. HTC와 Co-HTC는 CT와 CS의 발열량을 각각 19.33MJ/kg, 25.79MJ/kg으로 증가시켰습니다. 결과는 Co-HTC 조건 하에서 원시 바이오매스가 탈수 및 탈카르복실화를 거쳐 수소가 3.01%, 3.56%, 3.05%에서 2.87%, 2.98%, 2.75%로 감소하고 산소가 8.79%에서 감소함을 보여줍니다. 결과 HCT, HCS 및 HCB에서 각각 %, 4.78 및 8.2% ~ 5.83%, 2.75% 및 6.00%입니다. HTC와 Co-HTC 최적 조건은 공급원료의 비표면적을 각각 CT와 CS에 대해 6.066m2/g 및 6.37m2/g에서 11.88m2/g 및 14.35m2/g으로 증가시켰습니다. 총 기공 부피는 0.034cm3/g, 0.048cm3/g, 0.09cm3/g에서 0.071cm3/g으로 증가했습니다. 이는 HTC가 석탄 폐기물 단독으로 또는 오염 제거를 위한 전구체인 하수 슬러지와 함께 고품질 하이드로차를 생산할 수 있는 능력을 입증합니다. 오염된 물, 토양 오염 제거 응용, 고체 가연성 물질, 에너지 저장 및 환경 보호.

세계 최고의 석탄 생산국 중 하나인 남아프리카공화국(SA)은 에너지 수요를 공급하기 위해 석탄에 크게 의존하고 있습니다1. 에너지부의 2001년 국가 석탄 폐기 및 슬러리 목록에 따르면 매년 약 6,500만 톤의 석탄 폐기물이 생산되며, 이러한 폐기물의 대부분은 광미 더미와 슬러리 댐2에서 처리됩니다. 석탄폐기물 처리는 석탄폐기물의 독성화학물질의 가용화와 자연발화 가능성으로 인해 국가의 환경폐기물 관리에 심각한 위협으로 간주되고 있다3. 시간이 지남에 따라 물리화학적 공정 및 재생 기술과 같은 선광 방법이 등장했지만 이는 비효율적이고 환경에 비우호적이며 힘들고 비용이 많이 드는 것으로 간주됩니다4. 그러나 하수 슬러지(SS)는 SA 폐수 처리장5에서 상당량 생산됩니다. SS에는 폐기 비축물 근처에 사는 사람들에게 질병(천식, 폐렴)을 일으킬 것으로 의심되는 다양한 유기 및 무기 오염물질이 포함되어 있습니다6. 현장 토지 처리 및 쓰레기 쌓기와 같은 현재의 SS 관리 방법은 지속 불가능한 것으로 간주되며 여전히 주요 문제로 남아 있습니다7. 따라서 석탄폐기물 및 SS관리에 대한 혁신적인 전략이 필요하다고 판단된다. 이 연구는 활성탄 및 기타에 대한 잠재적인 탄소 전구체를 생성하기 위해 석탄 광미(CT), 석탄 슬러리(CS), 두 석탄과 SS의 혼합물의 물리화학적 특성을 향상시키는 열수 탄화(HTC)에 중점을 두고 있습니다. 귀중한 탄소재료(부가가치제품). 에너지 집약적인 탈수 단계의 필요성을 최소화하기 때문에 HTC 접근 방식은 다른 일반적인 열 공정보다 환경 친화적입니다8. HTC는 다양한 원료의 물리화학적 특성을 개선하기 위해 고온의 가압수를 반응물 및 촉매로 사용하는 열화학 공정입니다9. HTC 제품은 하이드로차(HC)라는 고체, 액체 및 소량의 가스 부산물로 구성됩니다9. HTC 공정에 대한 이전 연구에서는 CO2가 탈탄산 과정에서 배출되는 주요 가스(> 95%)이고 CH4, CO, H2와 같은 다른 가스가 동반된다고 가정했습니다. HTC 조건에서는 공급원료의 대부분의 탄소 및 무기 성분(회분)이 생성된 HC에 집중되어 방출되는 CO2의 양을 줄입니다9,10. 합성된 HC는 일반적으로 다공성 구조와 높은 소수성11 수준을 지닌 안정적인 방향족 화합물입니다. 이러한 특징은 예를 들어 물 오염 제거를 위한 흡착제로 사용될 때 HC에서 무기 물질(위험 성분 포함)의 추가 용해를 억제합니다12. 생산된 하이드로차의 연료 특성은 150~270°C(HC) 사이의 저탄소 함량 석탄의 HTC에 의해 성공적으로 향상되었습니다. 또한, 다양한 유형의 석탄에 대한 HTC는 아임계수의 높은 반응성과 비극성 용매 거동으로 인해 총 회분, 산소 및 황의 비율과 같은 바람직하지 않은 불순물의 값이 감소하는 동시에 탄소 함량이 증가함을 나타냈습니다10,11,12. 그러나 다른 바이오매스와 결합된 SS 또는 SS의 HTC에 대한 이전 연구를 확증하기 위한 추가 실험 데이터가 여전히 필요합니다. 또한, 이전 연구에서는 개별 석탄 및 바이오매스 재료의 HTC 처리와 비교할 때 다양한 석탄-바이오매스 혼합물의 탄화 및 대량 수율이 매우 효율적이라는 것을 나타냈습니다. Co-HTC 공정은 공급원료의 미네랄 함량의 용해도를 촉진하는 산성 조건을 제공했습니다. 결과적으로, 석탄과 SS를 개별적으로 HTC 처리하는 것과 비교할 때, 석탄-하수 슬러지 혼합물을 Co-HTC 처리하는 것은 공급원료 탄소 함량을 증가시킬 가능성이 높습니다10,11,14.