定制生物炭形态预示着重大突破环境应用

努力克服现有知识缺口的生物质热化学分解,将使生产定制bio-chars高优先级环境应用。这就是为什么罗伯特Volpe博士和他的团队的工作在伦敦大学玛丽皇后,英国吸引如此多的利益。他相信他和他的团队是第一个到达底部的生物炭的孔隙度。他们完成这一与伦敦大学学院的同事们合作和钻石光源(哈维尔校园牛津大学,英国)使他们能够形象首次通过前所未有的operando实验生物炭孔隙度的钻石。

生物量的碳化是一种技术,它可以追溯到人类开始把木材变成木炭。然而,这个过程的完整的热化学方面是很大程度上仍然未知。charcoal-like产品称为“生物炭”可以从农业生产浪费。Volpe博士的团队正在努力克服现有知识缺口生物质热解动力学和物理激活的。这是因为缺乏了解的生物形态学变化生物炭生产很难生产出定制bio-chars特定环境的应用程序。
转换方法之一是热解,这一过程涉及到加热浪费在缺乏氧气。在热解过程中,大小和形状的变化(形态学)的粒子的表面积生物量增加。这个面积控制生物炭吸附污染物,结合加速化学反应和储存能量。

生物炭创建从生物质原料的杏仁和核桃外壳

罗伯托·Volpe博士的小组,利用光子和中子设施多年来致力于发展农业废弃物的生物炭。钻石他们当前的研究包括检查和识别字符创建从生物质原料的杏仁和核桃外壳为其孔隙度在热化学分解是解锁的关键重要的技术发展。
可以定制这些字符的形态可能预示着重大突破,以帮助解决全球挑战通过创建一系列的廉价和可再生解决方案应用程序包括:能源存储、催化、去除污染物从水中,海水淡化的水以及提高质量;土壤修复和减少温室气体的排放,减少养分淋溶、土壤酸度以及减少灌溉和肥料的需求。跟踪生物的形态在生物炭生产是实现这一目标的第一步。
“我们做的是简单的。取杏仁和核桃外壳,我们把它们通过热解来创建一个char生物质碳化生物量基本上反映了技术的研究可以追溯到人类开始把木材变成木炭。然而,在我们的研究中,这个过程是监视的每一步我们感兴趣的,是被创造出来的孔隙度。通过准确的加热,我们可以形成超过一千平方米的表面积毛孔在一个错综复杂的网络的克生物炭形成的,”Volpe博士解释说。
“申请这项工作有很多污染物(细菌、金属污染分子)或离子(储能)可以由水(或电解质)到intra-particle孔隙网络,他们可以在那里被困。跟踪这个孔隙网络的演变我们加热生物质颗粒是关键,真正的新奇的工作。”
团队选择使用杏仁和核桃外壳更均匀和其它微生物相比,所以粒子像彼此更多和更一致的热行为(因此更容易找到健壮的相关性)。木质素含量也高,所以在加热过程中他们可以保持结构和木质素的化学功能将更加困难与“软”样本。它还允许他们一系列的可调谐性温和的生物量不允许。

许多潜在应用包括减少细菌污染水

在应用方面,研究小组已经成功测试了细菌或大肠杆菌吸附,从而减少细菌污染水96%使用生物炭生产超过500 c。Volpe说博士;“一般的材料可以用于清洁的水污染物如重金属、抗生素等药品或防腐剂。这种情况是典型的医院废水和提供了一个大问题对于今天的医院环境特别是在低收入和中等收入国家,水理智不太可能的。例如在乌干达60%的家庭的自来水和公共饮用水供应是由大肠杆菌严重污染。”
钻石的曼彻斯特成像Branchline (I13-2)与研究团队进行快速高分辨率x射线成像的生物质。钻石与他们实验可行性,复杂的测量,实验装置的炉创建正确的环境和最佳的x射线成像条件,采矿的财富数据生成。
这使得实时跟踪的粒子形态和孔隙度在热解。结果表明,不同的形态和孔隙度不同的简而言之进化在热解。然而,这些差异不太明显生物质已经帮忙碱性溶液。杏仁壳收缩比胡桃壳,但少了孔隙度平均厚壁细胞。相关研究结果表明,不同之处在于如何热穿透的生物质热解过程中粒子。孔隙度积累对粒子的中心被发现在热解出于同样的原因。
区别与不同的化学反应发生在密闭空间的生物量和毛孔的多快或多慢,产生的蒸汽被逐渐释放的粒子通过发展网络在热解毛孔。因此,随着温度的增加到大约500°C,对表面毛孔开发更多,而超过500°C,孔隙度开始开发更多对粒子的中心。这些热量和质量输运的限制使得热解如此具有挑战性的解决和控制。

热量和持续时间应用如何影响孔隙度和坚果壳的形态:

在缓慢加热坡道的函数应用团队杰出的四种不同的机制:
1。100 - 225度:无显著变化
2。225 - 350度:肿胀由于相变,想必木质素,
3所示。350 - 500度:温和的速度大小减少由于蒸发粒子的成分、孔隙发育,在粒子表面更加突出
4所示。500 - 650度:更快的减少尺寸和孔隙对粒子的中心发展得更快
保持在650度:不变规模没有减少,渐进稳定的碳

设计一个反应堆,也可以作为一个细胞成像

校长Beamline科学家,教授Christoph劳解释;“数据记录的非常出色的快速、高分辨率x射线I13-2。非常强烈的辐射许可证短曝光时间的毫秒。一个完整的三维层析数据集与几个成千上万的预测记录在几分钟内。实现数据采集策略我们必须首先扫描样本在静态条件下。启动加热斜坡,这涉及水准测量给定的目标温度、层析扫描,继续加热坡道等等。棘手之处在稳定条件下扫描样本。的技巧来解决这个问题是设计一个反应堆也作为细胞成像。一个石英毛细管,样本粒子加热的热惰性或活性气体的流动(氩、二氧化碳)。样品必须保持热稳定和辐射不应该影响样品稳定性(辐射损伤)。 The challenge is to avoid much movement between one tomography and the other one meaning that each tomography (which takes around one minute) should not involve too much change in temperature as this reduces the exposure time and therefore the contrast of the image.”
保罗•奎恩博士科学组长钻石解释;”成像技术在钻石让团队想象的结构具有足够的细节检查小缺口的固体颗粒或孔隙和跟踪任何变化随时间和温度的变化。这意味着我们可以提取大量的细节的进化这些毛孔及其复杂的几何形状。这个结果揭示了热处理的基本行为生物量,同时允许Volpe博士和他的团队唯一关联粒子温度和孔隙几何。”
集团是有意识地发展环境对生物炭的使用成本效益分析,因为所需的能量将生物量转化为它之前它可以用于吸附污染物。Volpe博士评论说:“这是非常重要的。我们针对一个完全循环方法,char,充斥着污染物可以作为固体燃料从生物质原料准备新的生物炭。这必将有利于环境效益与成本相比,使用传统的化石活性炭,然而一个完全综合分析量化的好处是要做也许使用生命周期评估方法。”
Volpe博士的下一步的行动之一将是访问麻省理工学院及其燃烧组织的机械工程系,在皇家学会格兰特把他的图像与数学模型的一个例子两个世界领先的团体在生物质转换一起工作。他还回来进行进一步的工作在4月的钻石,作为集团下一步增加生物炭的可调谐性将在较小的决议旨在解决孔隙度低于100纳米。