Monthly ArchiveНоябрь 2022

Восстановление почв, загрязненных тяжелыми металлами: спасительная конопля

Использование конопли для комбинированной фиторемедиации и производства биоэнергии было исследовано в небольшой степени в начале 21 века, в основном с акцентом на биомассу, выращенную на почвах, загрязненных тяжелыми металлами (Linger et al., 2002; Meers et al., 2005; Van Ginneken et al. др., 2007). В недавней работе были разработаны концепции биоперерабатывающих заводов (Alvarado-Morales et al., 2009) или систем совместного производства каннабис (Kreuger, Prade, et al., 2011; Kreuger, Sipos, et al., 2011), в которых используется несколько источников биоэнергии. производится из одного сырья.

Эти системы работают, чтобы максимизировать выход и минимизировать объем отходов конопли. Чтобы включить загрязненную биомассу в производство биоэнергии, необходимо предпринять дополнительные шаги во время обработки для удаления или секвестрации токсичных соединений из/внутри конечного продукта, в зависимости от характера загрязняющего вещества, местоположения и концентрации в растительном материале, а также предполагаемого конечного использования технической отработанной марихуаны.

Пути производства биоэнергии

Были разработаны основные пути производства биоэнергии из конопли: ключевые события процесса обобщены и связаны с производственными событиями, связанными с фиторемедиационными культурами (Van Ginneken). и др., 2007). Эта концепция дизайна учитывает затраты на выращивание каннабис; совместное производство биоэтанола, биогаза и ТЭЦ; отдельное производство биодизеля; возможные решения для связывания загрязняющих веществ; и место назначения потока загрязняющих отходов.

Основным препятствием на пути реализации комбинированной конопли для фиторемедиации и производства биоэнергии является управление безопасностью и нормативными требованиями, связанными с судьбой загрязняющих веществ во время обработки марихуаны. Фактическая судьба загрязняющих веществ будет зависеть от типа процесса и категории загрязняющих веществ. Модификации стандартных методов производства биоэнергии могут быть внесены для включения удаления загрязняющих веществ из конопли: то есть использование некатализируемого сверхкритического метанола, а не реакций, катализируемых основаниями, для переэтерификации растительного масла позволяет использовать более простые методы очистки на последующих этапах.

Методики связывания загрязнителей

Два метода связывания загрязняющих веществ включают использование адсорбирующих материалов и сжигание конопли. Адсорбирующие материалы можно использовать для удаления загрязнителей как из водных, так и из газообразных потоков отходов (Angelidaki et al., 2018). Для твердых металлов, которые термически стабильны, отходы можно сжигать, чтобы сконцентрировать загрязняющие вещества в золе (Nzihou & Stanmore, 2013). Утилизация небольшого объема золы каннабис гораздо менее эффективна, чем утилизация больших объемов биомассы (Агентство по охране окружающей среды США, 1999 г.).

Оценка коэффициентов переноса из почвы в коноплю (TF) для отдельных загрязнителей может помочь определить наилучшее использование биомассы марихуаны после фиторемедиации. TF – отношение концентрации в растениях к концентрации в почве для конкретного вида (Sakizadeh et al., 2016); они могут различаться для разных частей растения конопли (например, семян и стеблей). В некоторых работах использовались TF конопли для оценки пределов загрязнения почвы, которые все еще позволяют использовать собранную биомассу.

 

Основные виды экологичного топлива из конопли: биоэтанол и твердое топливо

Перед ферментацией сырье биомассы конопли часто подвергают какой-либо предварительной обработке, например паром, для улучшения гидролиза и выхода биоэтанола (Kreuger, Sipos, et al., 2011; Sipos et al., 2010). Основными продуктами гидролиза и ферментации являются глюкоза и биоэтанол соответственно (Kuglarz et al., 2014). По завершении ферментации биоэтанол из каннабис отделяют от глюкозы и других второстепенных побочных продуктов, таких как белки, другие спирты и вторичные метаболиты дрожжей, путем дистилляции или вакуумной отгонки (Akbas & Stark, 2016).

Высушенная или силосованная биомасса конопли (преимущественно стебли) может использоваться в качестве сырья для производства биоэтанола (Sipos et al., 2010). Стебли, особенно волокна костры технической марихуаны (Kreuger, Prade, et al., 2011; Kreuger, Sipos, et al., 2011), богаты лигнином, целлюлозой и гемицеллюлозой, на долю которых приходится более 80% масс. сухая биомасса (Gonzalez-García et al., 2012; Zatta & Venturi, 2009). Харв

Основной фактор выхода биоэтанола

Максимальное время является основным фактором выхода биоэтанола из конопли, поскольку содержание лигнина и целлюлозы в стеблях конопли увеличивается по мере созревания растения (Kreuger, Prade, et al., 2011; Zatta & Venturi, 2009). Теоретическое производство этанола из сухих стеблей каннабис, собранных при разной степени созревания, колеблется от 2799 до 4503 л/га (Zatta & Venturi, 2009). Конопля, собранная в оптимальное время, имеет выходы биоэтанола, сравнимые с другими непищевыми лигноцеллюлозными культурами (Kreuger, Prade, et al., 2011; Zatta & Venturi, 2009).

Твердое биотопливо

Твердое биотопливо может представлять собой любой материал биомассы конопли, высушенный либо в хранилище, либо в полевых условиях. Чаще всего они сжигаются на ТЭЦ для выработки тепла и электроэнергии или используются в небольших котлах для выработки тепла (Коларикова и др., 2014). Уплотненная твердая биомасса является наиболее широко доступным биотопливом (Zhou et al., 2016). Твердое биотопливо из технических сортов марихуаны коммерчески доступно на нишевых рынках (Prade et al., 2012). Количество энергии, получаемой из сожженной биомассы, зависит от времени сбора урожая, содержания влаги, размера/формы частиц и состава летучих компонентов (Lu & Baxter, 2011; Prade et al., 2011).

Состав сырья конопли влияет на количество выбросов при сжигании, таких как двуокись углерода, окись углерода, оксиды азота и несгоревшие углеводороды (Jasinskas et al., 2020), а также на состав золы (Zajac et al., 2019). Конопля, собранная в оптимальных условиях, дает до 246 ГДж га-1 год-1. Выход энергии каннабис на гектар аналогичен выходу тростниковой канареечника (Phalaris arundinacea) и на 120% больше, чем у пшеничной соломы (Triticum sp.), выращенной в тех же условиях (Prade et al., 2011).

 

Переход на возобновляемые источники энергии: конопля техническая

Биодизель в основном производится из растительных масел конопли, богатых триглицеридами, путем переэтерификации в метиловые эфиры жирных кислот (Vyas et al., 2010). Для извлечения масла традиционно используется механическое прессование; однако также использовались более новые методы экстракции каннабис, такие как экстракция сверхкритическим диоксидом углерода (Aladić et al., 2014).

Существует несколько вариантов реакции переэтерификации, включая щелочной, кислотный или катализируемый ферментами механизм реакции. Примеси из загрязненного сырого масла конопли могут влиять на свойства топлива, такие как мутность, температура помутнения и цвет (Ma & Hanna, 1999). Методы удаления примесей до или после переэтерификации включают влажную промывку для удаления водорастворимых соединений, сухую промывку специальными адсорбирующими материалами, фильтрацию и ионный обмен (Banga & Varshney, 2010). Семена технической марихуаны состоят на 25-35% из масла с высоким содержанием жирных кислот.

Помимо пищевого использования — энергетическая ценность

Масло конопли традиционно используется в пищевых продуктах (Farinon et al., 2020); однако состав делает его перспективным для биодизеля. Продолжаются исследования оптимальных условий для биодизеля на основе конопли (Khan et al., 2019; Rashid et al., 2016), а также его качества (Ahmad et al., 2011; Li et al., 2010) и удобства использования. для автомобильного топлива или топливной смеси (Afif & Biradar, 2019; Mohammed et al., 2020).

Особенности биогаза из конопли

Биогаз является основным продуктом анаэробного сбраживания (AD) биомассы каннабис и в основном состоит из метана, который можно использовать в качестве топлива, и двуокиси углерода. Второстепенные соединения в биогазе включают водород, кислород, азот, аммиак, сероводород и воду (Alexopoulos, 2012). Основными этапами БА являются гидролиз, ацидогенез, ацетогенез и метаногенез (Achinas et al., 2017). Биогаз можно производить из сухого или силосованного материала конопли (Prade et al., 2012). Неочищенный биогаз можно либо сжигать для получения комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ), либо очищать до качества автомобильного топлива.

Типичные методы повышения качества биогаза из конопли для удаления примесей и/или повышения содержания энергии включают очистку водой, криогенное разделение, физическую и химическую адсорбцию, мембранную технологию, обогащение метаном на месте, образование гидратов и/или биологические методы (Sun et al., 2015). ). Предварительная обработка паром (Barta et al., 2013; Liu et al., 2017), время сбора урожая конопли (Kreuger, Prade, et al., 2011) и сорт конопли (Adamovičs et al., 2014) оказывают большое влияние на выход биогаза. качество и содержание метана. При оптимальном урожае зеленая марихуана может давать до 296 ГДж га-1 год-1 энергии из биогаза (Prade et al., 2011).

Выходы и качество биогаза из культур конопли в различных экспериментальных условиях сопоставимы с другим сырьем для биогаза (Адамовичс и др., 2014). В условиях роста, когда зеленая конопля давала около 190 ГДж га-1 год-1, другие биогазовые культуры, выращенные в тех же условиях, имели сопоставимые выходы энергии.