Analyse physicochimique, structurale des rejets de charbon (et boues d'épuration) (co)

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 17532 (2022) Citer cet article

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Cette étude s'est concentrée sur le traitement hydrothermal (HTC) des résidus de charbon (CT) et des boues de charbon (CS) et sur le traitement co-hydrothermal (Co-HTC) des CT, CS et des boues d'épuration afin d'évaluer le potentiel d'augmentation de la teneur en carbone des l’hydrochar produit comme catalyseur d’une économie durable du carbone. La méthodologie de combinaison optimale et la méthodologie de surface de réponse ont été utilisées pour étudier la relation entre les paramètres importants du processus, à savoir la température, la pression, le temps de séjour, le rapport charbon/boues d'épuration et le rendement en carbone de l'hydrochar produit. Les conditions optimisées pour l'hydrochar provenant des résidus de charbon (HCT) et l'hydrochar provenant de boues de charbon (HCS) (150 °C, 27 bar, 95 min) ont augmenté le carbone fixe de 37,31 % et 53,02 % à 40,31 % et 57,69 %, respectivement, le total la teneur en carbone s'est améliorée de 42,82 à 49,80 % et de 61,85 à 66,90 % respectivement, tandis que la teneur en cendres des rejets de charbon a diminué de 40,32 % et 24,17 % à 38,3 % et 20,0 % par rapport respectivement au CT et au CS. Les conditions Co-HTC optimisées (208 °C, 22,5 bars et 360 min) pour l'hydrochar issu du mélange de rejets de charbon et de boues d'épuration (HCB) ont augmenté le carbone fixe sur une base sèche et la teneur totale en carbone de 38,67 % et 45,64 %. à 58,82 % et 67,0 %, par rapport respectivement au CT et au CS. Les rendements de carbonisation pour le HCT, le HCS et le HCB étaient respectivement de 113,58 %, 102,42 % et 129,88 %. HTC et Co-HTC augmentent le pouvoir calorifique du CT et du CS, à 19,33 MJ/kg, 25,79 MJ/kg, respectivement. Les résultats montrent en outre que dans des conditions de Co-HTC, la biomasse brute subit une déshydratation et une décarboxylation, entraînant une diminution de l'hydrogène de 3,01 %, 3,56 % et 3,05 % à 2,87 %, 2,98 % et 2,75 %, et de l'oxygène de 8,79 %. %, 4,78 et 8,2 % à 5,83 %, 2,75 % et 6,00 % dans les HCT, HCS et HCB résultants, respectivement. Les conditions optimales HTC et Co-HTC ont augmenté la surface spécifique de la matière première de 6,066 m2/g et 6,37 m2/g à 11,88 m2/g et 14,35 m2/g, pour CT et CS, respectivement. Le volume total des pores est passé de 0,034 cm3/g à 0,071 cm3/g, 0,048 cm3/g et 0,09 cm3/g, prouvant la capacité du HTC à produire de l'hydrocharbon de haute qualité à partir de rejets de charbon seuls ou en conjonction avec des boues d'épuration comme précurseurs pour la décontamination. des eaux polluées, des applications de décontamination des sols, des combustibles solides, du stockage d'énergie et de la protection de l'environnement.

L'Afrique du Sud (Afrique du Sud), l'un des principaux producteurs mondiaux de charbon, dépend largement du charbon pour répondre à ses besoins énergétiques1. Selon l'inventaire national des déchets et des boues de charbon de 2001 du ministère de l'Énergie, environ 65 millions de tonnes de déchets de charbon sont produites chaque année, la majeure partie de ces déchets étant évacuée dans des tas de résidus et des barrages à lisier2. L'élimination des déchets de charbon est considérée comme une menace sérieuse pour la gestion des déchets environnementaux du pays en raison de la solubilisation de produits chimiques toxiques provenant des déchets de charbon et de la possibilité d'une combustion spontanée3. Des méthodes de valorisation telles que les procédés physico-chimiques et les techniques de régénération ont émergé au fil du temps, mais elles sont considérées comme inefficaces, peu respectueuses de l'environnement, laborieuses et coûteuses4. Cependant, les boues d'épuration (MES) sont produites en quantités importantes par les stations d'épuration des eaux usées SA5. Les MES contiennent une variété de polluants organiques et inorganiques soupçonnés de provoquer des maladies (asthme, pneumonie) chez les personnes vivant à proximité des stocks de stockage6. Les méthodes actuelles de gestion des MES, telles que l'élimination sur place et l'entassement des déchets, sont considérées comme non durables et restent un problème majeur7. En conséquence, des stratégies innovantes en matière de gestion des déchets de charbon et des MES sont jugées nécessaires. Cette étude se concentre sur la carbonisation hydrothermale (HTC) pour améliorer les propriétés physicochimiques des résidus de charbon (CT), des boues de charbon (CS) et d'un mélange des deux charbons et SS afin de produire des précurseurs potentiels de carbone pour le charbon actif et d'autres matières carbonées de valeur (produits à valeur ajoutée). Parce qu'elle minimise le besoin d'une phase de déshydratation à forte intensité énergétique, l'approche HTC est plus respectueuse de l'environnement que les autres processus thermiques classiques8. Le HTC est un procédé thermochimique qui utilise de l’eau chaude sous pression comme réactif et catalyseur pour améliorer les propriétés physicochimiques de diverses matières premières9. Les produits HTC sont constitués d'un solide appelé hydrochar (HC), d'un liquide et d'une petite quantité de sous-produits gazeux9. Des travaux antérieurs sur le procédé HTC supposaient que le CO2 était le gaz prédominant (> 95 %) émis lors de la décarboxylation, accompagné d'autres gaz tels que le CH4, le CO et le H2. Dans les conditions HTC, la majorité du carbone et des composants inorganiques (Cendres) des matières premières sont concentrés dans les HC produits, réduisant ainsi la quantité de CO2 rejetée9,10. L’HC synthétisé est généralement un composé aromatique stable, de structure poreuse et doté d’un haut niveau d’hydrophobie11. Ces caractéristiques inhibent la solubilisation ultérieure des matières inorganiques (y compris les composants dangereux) dans les HC lorsqu'ils sont utilisés comme adsorbant pour la décontamination de l'eau par exemple12. Les caractéristiques du combustible de l'hydrochar produit ont été améliorées avec succès par le HTC à base de charbon à faible teneur en carbone entre 150 et 270 °C (HC). En outre, le HTC de divers types de charbon a indiqué que la réactivité élevée et le comportement de solvant apolaire de l'eau sous-critique réduisaient les valeurs d'impuretés indésirables telles que la fraction des cendres totales, l'oxygène et le soufre tout en augmentant la teneur en carbone10,11,12. Cependant, des données expérimentales supplémentaires restent nécessaires pour corroborer les travaux antérieurs sur le HTC du SS ou du SS combiné avec d'autres biomasses13. De plus, des travaux antérieurs ont indiqué que la carbonisation et les rendements massiques de différents mélanges charbon-biomasse étaient extrêmement efficaces par rapport au traitement HTC de matériaux individuels de charbon et de biomasse. Le procédé Co-HTC a fourni des conditions acides qui ont favorisé la solubilité de la teneur en minéraux de la matière première. En conséquence, comparé au traitement HTC du charbon et des MES individuellement, le traitement Co-HTC du mélange charbons-boues d'épuration a une forte probabilité d'augmenter la teneur en carbone des matières premières10,11,14.