Kinetik der Hydrothermalen Karbonisierung von Modellsubstanzen und Biomassen

Jatzwauck, Marcel, Steffen

doi:10.24355/dbbs.084-201503161102-0

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Kinetik der Hydrothermalen Karbonisierung von Modellsubstanzen und Biomassen

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Untersuchungen zur Kinetik der Hydrothermalen Karbonisierung wurden an Modellsubstanzen (Cellulose, Xylose, Lignin; einzeln und im Gemisch) und an verschiedenen Biomassen (Landschaftspflegematerial LPM, Laub, Schilf, Rübenblatt) durchgeführt. Eine Mischung der Modellsubstanzen wird nicht wie gleich zusammengesetztes LPM karbonisiert. Bei der Karbonisierung von LPM hat Zitronensäure (0,2 g/L) keinen Einfluss auf die Kinetik; Zusatz von Eisensalzen beschleunigt die Hydrolyse etwas. Rückführung des Prozesswassers führt zur Anreicherung von Kohlenstoff-Verbindungen in der Flüssigkeit und erhöht die Kohleausbeute aus LPM. Bei der Karbonisierung von Cellulose durchläuft die Feststoffausbeute ein ausgeprägtes Minimum; höhere Cellulose-Konzentrationen steigern die finale Kohleausbeute. Dies wird modelliert als Hydrolyse des Eduktes (A) zu gelösten Zwischenprodukten (B), die dann entweder zu Hydrokohle (C) polymerisieren oder zu gelöst bleibenden Folgeprodukten (D) reagieren. Der Konzentrationseinfluss wird durch eine höhere Reaktionsordnung n der Kohlebildung beschrieben. Die Karbonisierung von LPM, Laub und Schilf kann mit einem gleich strukturierten Modell beschrieben werden, z.B n=1,53 für LPM. Für die Biomassen erhält man unterschiedliche finale Kohlenstoffgehalte, was an der Zusammensetzung (u.a. Aschegehalt) liegt. Die Kinetik der Hydrolyse ist substratspezifisch; die Kinetik der Folgereaktionen ist ähnlich.

The kinetics of hydrothermal carbonization (HTC) was studied for model compounds (cellulose, lignin, xylose and a mixture) and different types of biomass (soft rush hay SRH, copper beach leaves, reed, sugar beet leaves). A mixture of the model compounds does not react not like SRH of the same composition. Citric acid (0.2 g/L) shows no catalytic effect on the HTC of SRH; iron salts have a weak catalytic effect on the hydrolysis of SRH. Recycling of process water leads to enrichment of dissolved organic carbon and results in higher hydrochar yield from SRH. During the HTC of cellulose, the solids yield runs through a distinct minimum; higher cellulose concentration leads to a higher char yield. This is modelled as the hydrolysis of the solid substrate (A) to dissolved intermediates (B) which then either react to stable dissolved substances (D) or polymerize to hydrochar (C). The product (C) is defined by the maximum carbon content reached. The effect of the substrate concentration is accounted for by a higher reaction order (n=2.25) of hydrochar formation. The same model was used for the HTC of biomass, e.g., n=1.53 for SRH. The maximum carbon content depends on the type of biomass due to different compositions (e.g., ash contents). The kinetics of the hydrolysis reaction is substrate specific; the kinetics of the subsequent reactions is similar.