Biomassapohjaisen aktiivihiilen valmistus hydrotermisellä ja termokemiallisella käsittelyllä

Abstract

Biomassaa voidaan käyttää lähtömateriaalina erilaisissa termokemiallisissa konversioprosesseissa, joiden tuotteena saadaan erilaisia hyödyllisiä hiilimateriaaleja. Termokemiallinen konversioprosessi voi olla jokin kuivapyrolyysimenetelmä (nopea pyrolyysi tai hidas pyrolyysi), tai hydroterminen käsittely eli HTC-menetelmä. Kuivapyrolyysi- ja HTC-tuotteita voidaan aktivoida ja käyttää aktiivihiilen tavoin monissa sovelluksissa, esimerkiksi adsorbenttina tai katalyytin tukiaineena. Koska aktiivihiili on hyvin kallista, on uusien, vastaavaan tarkoitukseen sopivien hiilimateriaalien kehittäminen järkevää.

Kuivapyrolyysimenetelmissä biomassaa kuumennetaan hapettomissa olosuhteissa ja korkeassa lämpötilassa (alle 500 °C). Hitaan ja keskinopean pyrolyysin tuotteesta 30–35 % on yleensä kaasuja ja höyryjä ja 20–40 % kiinteää hiiltä.

Hydrotermisessä käsittelyssä lähtöainebiomassa kuumennetaan alikriittisessä vedessä 150–250 °C lämpötilaan autogeenisessä paineessa. Reaktioaika voi vaihdella muutamista minuuteista tunteihin. Hydrotermisessä prosessissa lämpötilat ovat suhteellisen matalia. Lisäksi veden tulee olla koko reaktioajan nestemäisessä muodossa ja pH:n tulee olla neutraali tai hieman hapan, mutta ei emäksinen.

Kiinteän hiiliaineksen osuus on HTC-tuotteessa suurempi kuin kuivapyrolyysituotteessa. HTC-menetelmä on energeettisesti tehokkaampi kuin kuivapyrolyysimenetelmät, sillä prosessi on hyvin eksoterminen. Hydrotermistä käsittelyä pidetään ympäristöystävällisenä menetelmänä myös siksi, että siinä ei tarvita orgaanisia liuottimia, katalyyttejä tai pinta-aktiivisia aineita. Hydrotermisessä käsittelyssä lähtöainemateriaalia ei tarvitse kuivata, toisin kuin kuivapyrolyysimenetelmissä.

Kuivapyrolyysi- tai HTC-tuotetta voidaan aktivoida fysikaalisella tai kemiallisella aktivoinnilla. Myös aktivoimattomia kuivapyrolyysituotteita ja HTC-tuotteita on käytetty esimerkiksi adsorbenttisovelluksissa. Aktivoituja hiilimateriaaleja voidaan käyttää myös kaasujen adsorptiossa, elektroniikkasovelluksissa ja polttoainesovelluksissa.

HTC-käsittely on ympäristöystävällinen, ”hiilinegatiivinen” konversiomenetelmä, jonka lähtömateriaalina voidaan hyödyntää monenlaista jätebiomassaa. Kun biomassaa muutetaan HTC-hiileksi, sen sisältämä hiilidioksidi ei vapaudukaan ilmakehään yhtä nopealla syklillä, kuin se biomassan luonnollisten hajoamisprosessien kautta vapautuisi. Näin HTC-hiilen valmistusta voidaan pitää myös keinona varastoida hiilidioksidia ja jopa vähentää ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta.

Lignocellulosic and other biomass can be used as a precursor for thermochemical conversion processes, such as dry pyrolysis or hydrothermal treatment (HTC). Biochar and hydrochar obtained from these conversion processes can be activated chemically or physically to increase the porosity and surface area of the chars. These biomass-derived activated carbons can be used in various applications, for example as adsorbents for water purification purposes, catalyst supports or electronic applications. Traditional activated carbons are rather expensive, so new innovations of activated carbons made from cheap and sustainable precursors are welcomed.

In dry pyrolysis, the biomass is heated in an inert atmosphere to high temperatures (max. 500 °C). The resulting product consists of 30–35% vapours and gases, and 20–40% solid product. Hydrothermal treatment is usually performed in temperatures between 150 °C and 250 °C in subcritical water, under autogenous pressure and mildly acidic conditions. Reaction times can vary from minutes to several hours.

Hydrothermal treatment gives a higher percentage of solid product than dry pyrolysis. It is also more favourable energetically than dry pyrolysis due to the spontaneous, highly exothermic reactions occuring during HTC. HTC doesn’t require any pre-drying of the biomass so also wet biomass can be used as a precursor.

Hydrothermal treatment of biomass is a sustainable, CO₂-effective and cheap option for making activated carbon materials to be used in a wide range of applications.