Sintesi idrotermale disaccoppiata a temperatura e pressione del subcarbonio

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3616 (2022) Citare questo articolo

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La temperatura e la pressione del processo idrotermale che avviene in un reattore batch sono tipicamente accoppiate. Qui, sviluppiamo un sistema idrotermale disaccoppiato a temperatura e pressione in grado di riscaldare la cellulosa a pressione costante, abbassando così significativamente la temperatura di degradazione della cellulosa e consentendo la rapida produzione di sfere di carbonio submicroniche. Le sfere di carbonio submicroniche possono essere prodotte senza alcun tempo isotermico, molto più velocemente rispetto al processo idrotermale convenzionale. L’acqua ad alta pressione può aiutare a scindere i legami idrogeno nella cellulosa e facilitare le reazioni di disidratazione, promuovendo così la carbonizzazione della cellulosa a basse temperature. Una valutazione del ciclo di vita basata sulla progettazione concettuale di una bioraffineria rivela che questa tecnologia porta a una riduzione sostanziale delle emissioni di carbonio quando l’idrochar sostituisce il carburante o viene utilizzato per ammendare il suolo. Nel complesso, il trattamento idrotermale disaccoppiato a temperatura e pressione in questo studio fornisce un metodo promettente per produrre materiali di carbonio sostenibili dalla cellulosa con un effetto carbonio negativo.

Il consumo di combustibili fossili continua a produrre una quantità crescente di CO2 (emissioni positive al carbonio, fig. 1a), che provoca gravi conseguenze come il cambiamento climatico e l’acidificazione degli oceani. La biomassa lignocellulosica, come legno, erba e rifiuti agricoli (paglia), costituita da cellulosa, emicellulosa e lignina, è una risorsa rinnovabile e a zero emissioni di carbonio1. L’utilizzo della biomassa ha un grande potenziale nel ridurre le emissioni nette globali di carbonio2. L’utilizzo tradizionale della biomassa, come la combustione, la gassificazione e la digestione anaerobica, è a zero emissioni di carbonio. La conversione della biomassa in materiali di carbonio, che possono realizzare lo stoccaggio del carbonio in una forma solida stabile, è una tecnologia a emissioni negative (NET) (Fig. 1a). È stato riferito che nel peggiore dei casi sono necessarie emissioni negative di 7-11 Gt di carbonio all’anno, mentre nel migliore dei casi sono necessarie 0,5-3 Gt di carbonio all’anno per raggiungere l’obiettivo dei 2°C3.

uno schema delle situazioni carbonio-positive, carbon-neutral e carbon-negative. b Illustrazione di sfere submicroniche di carbonio derivanti dal trattamento idrotermale a bassa temperatura di materie prime a base di cellulosa.

La cellulosa, in quanto componente principale della biomassa lignocellulosica (40-60%; base di massa), è anche il componente principale della carta e dei tessili a base di cotone4. La cellulosa può essere convertita in materiali contenenti carbonio5,6, sostanze chimiche7,8 o etanolo9, la cui produzione dipende in genere in larga misura dai combustibili fossili. Pertanto, si prevede che l’utilizzo ad alto valore aggiunto della cellulosa contribuirà ad alleviare la crisi energetica e il riscaldamento globale. La conversione idrotermale della cellulosa può produrre materiali carboniosi solidi, bioolio liquido e gas combustibili (ad esempio H2, CO e CH4)10,11,12. Il materiale solido carbonioso, ad esempio l'idrocarburo, può essere utilizzato negli elettrodi dei condensatori, nel trattamento delle acque reflue e nelle celle a combustibile13,14.

I reattori batch sono ampiamente utilizzati per studiare il processo idrotermale di sostanze insolubili in acqua grazie alla loro facilità d'uso e universalità. Tuttavia, in un tipico reattore batch, temperatura e pressione sono accoppiate, rendendo difficile controllarle separatamente, il che fa sì che il cosiddetto “effetto temperatura” potrebbe essere essenzialmente una combinazione di temperatura e pressione. È generalmente noto che la cellulosa (cristallina) si decompone a ~210 °C15,16 a una pressione di vapore saturo di 1,9 MPa. Tuttavia, quando la temperatura aumenta da 100 a 210 °C, la pressione aumenta da 0,1 a 1,9 MPa, cioè un processo idrotermale accoppiato a temperatura e pressione (CTPH). Pertanto, non è chiaro se questa conseguenza sia causata dalla temperatura, dalla pressione o da entrambi. Cioè, se la pressione cambia, anche la temperatura di degradazione può cambiare di conseguenza.