Carbonización hidrotérmica

Archiu:Fig. 1b.tiff

Nano esferes de carbono creades per carbonización hidrotérmica de glucosa en CO₂ durant 6 hores, per a canviar propietats de la seua superfície. Image SEM (microscopía electrònica d'agranada) de l'Universitat de Tartu.

La carbonización hidrotérmica (en anglés, Hydrothermal carbonization o HTC), també denominada a voltes hidrólisis tèrmica, és un procés termoquímico per a la conversió de composts orgànics a carbono estructurals. Este procés pot servir per a crear una àmplia varietat de materials carbonados estructurats: producció de substituts de lignit, gas de síntesis, precursors líquits de petròleu i humus des de la biomassa inicial, en una generació neta d'energia. El procés, que imita la formació d'lignina que té lloc en naturalea entre 50,000 a 50 millons d'anys, va ser investigat per Friedrich Bergius i descrit per primera volta en 1913.

Motivació

L'eficiència de conversió de carbono de la majoria dels processos per a convertir matèria orgànica en combustible és relativament baixa. És dir, la proporció de carbono contingut en la biomassa, que es troba posteriorment en el producte final utilisable, és relativament baixa, com pot vore's en la taula a continuació:

Procés	Rendiment de conversió de carbono
Fermentació alcohòlica	67%
Conversió anaeròbica a biogás	50%
Producció de carbó vegetal des de fusta	30%
Producció de humus per compostage	5% a 10%

La part no utilisada del carbono normalment és emesa a l'atmòsfera com diòxit de carbono (CO₂) o en alguns casos, com en la fermentació anaerobio, com metà (CH₄). Abdós són gasos d'efecte hivernàcul. Són processos exotèrmics, pero normalment la calor lliberada no pot utilisar-se, per tindre un nivell tèrmic baix.

Una de les llimitacions de la producció de biodiésel a partir d'oli vegetal és el fet de que solament l'energia continguda en el frut pot ser utilisat (oli de llavors, etc.). Si es conseguix utilisar la planta sancera per a la producció de biocombustible, la producció d'energia es multiplicaria per un factor d'entre tres i cinc en la mateixa àrea de cultiu. Al mateix temps, per a la mateixa producció d'energia, es requeriria un menor us de herbicida, energia, sent molt més interessant i eficient. La carbonización hidrotérmica, de la mateixa manera que atres processos com la liqüefacció de biomassa (biomass-to-liquid), permet l'aprofitament casi complet del carbono contingut en la biomassa per a la producció de combustible.

Processe

La biomassa es calfa junt en aigua entre 170 i 190 °C en un recipient a pressió (entre 7.9 i 12.6 bar), en l'objectiu de que la reacció es produïxca en fase líquida. Un eixemple es pot vore en l'equació adjunta, a on la glucosa (C₆H₁₂O₆) es deshidrata. Durant la reacció, el pH es reduïx fins a 4-5 per la hidrólisis dels grups acetilo de la hemicelulosa, produint àcit acètic (junt en alguns atres àcit) que es disocia generant ions oxonio. Este procés es diu autohidrólisis.

Pot ser accelerat per mig de l'adició d'una chicoteta cantitat d'àcit cítric. En este cas, a valors baixos de pH, més de carbono passa a la fase acuosa. Quan la reacció es realisa per càrregues, despuix de 12 hores la conversió sol ser del 90 a 99% transformat en esferes d'lignina (C₆H₂O) en tamanys de poro entre 8 i 20 nm, com una fase sòlida, el restant 1% a 10% de carbono passa al hidrolizado com a sucres monoméricos i alguns oligómeros o com a diòxit de carbono. Una equació d'eixemple de reacció per a la formació d'lignina és:

La reacció pot ser parada en vàries etapes en eliminació incompleta d'aigua, donant productes intermijos diferents. En els primers minuts se solen formar substàncies lipofílicas, pero són molt reactives i posteriorment polimerizan formant carbó i distintes estructures en acabant de que aproximadament 8 hores.