Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Der weltweite Markt für Aktivkohle, der 2024 auf 4,3 Milliarden Dollar für 5,4 Millionen Tonnen geschätzt wird, dürfte bis 20292 ein Volumen von 5,8 Milliarden Dollar erreichen. Aktivkohle findet vielseitige Anwendungen, von der Umweltsanierung bis zur Luft- und Wasserreinigung. Sie wird traditionell aus Anthrazit und Kohle hergestellt, doch wächst das Interesse an der Erforschung von Biomasse als nachhaltige Alternative. Unser Projekt verwertet Biomasse-Rückstände durch biochemische und thermochemische Prozesse, um Aktivkohle aus verschiedenen Quellen herzustellen, darunter forst- und landwirtschaftliche Rückstände sowie Fruchtkerne ohne schädliche Stoffe. Ebenso ist geplant, sie teilweise oder vollständig mit Milchsäure (Molke) zu aktivieren. Das Endprodukt ist nicht nur für die Abwasserreinigungsindustrie bestimmt, sondern auch für biologische Energieerzeugungsprozesse wie die anaerobe Vergärung.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The global activated carbon market, valued at $4.3 billion in 2024 for 5.4 million tons, is expected to reach $5.8 billion by 2029. Activated carbon has versatile applications, from environmental remediation to air and water purification. Historically produced from anthracite and coal, there is growing interest in exploring biomass as a sustainable alternative. Our project recycles biomass residues through biochemical and thermochemical processes to produce activated carbon from various sources, including forestry and agricultural residues and fruit pits without harmful agents. Similarly, it is planned to activate it in part or in whole with lactic acid (whey). The final product will be used not only in the water treatment industry but also in biological energy production processes, such as anaerobic digestion.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Le marché mondial du charbon actif, évalué à $4,3 milliards en 2024 pour 5,4 millions de tonnes, devrait atteindre $5,8 milliards d'ici 20292. Le charbon actif trouve des applications polyvalentes, de la remédiation environnementale à la purification de l'air et de l'eau, est historiquement produit à partir de l'anthracite et du charbon, suscite un intérêt croissant pour l'exploration de la biomasse comme alternative durable. Notre projet valorise des résidus de biomasse par des processus biochimique et thermochimique pour nnproduire du charbon activé à partir de diverses sources ; les résidus forestiers et agricoles ainsi que les noyaux de fruits sans agents nocifs. De même, il est prévu de l’activer pour partie ou en totalité avec de l’acide lactique (petit-lait). Le produit final sera destiné non seulement à l’industrie de l’épuration mais aussi aux processus biologiques de production d’énergie, comme la digestion anaérobie.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Das Projekt WheyActivChar ist Teil eines Kontextes, in dem der weltweite Markt für Aktivkohle ein starkes Wachstum verzeichnet, das durch die Nachfrage nach nachhaltigen Adsorptionsmitteln für die Schadstoffbeseitigung, die Wasser- und Luftreinigung oder landwirtschaftliche Anwendungen angekurbelt wird. Es bietet einen innovativen Weg zur Herstellung von aktivierter Biokohle aus lokalen Lignocellulose-Rückständen (feine Holzpellets, Nussschalen) und verwertet gleichzeitig ein wenig genutztes Nebenprodukt der Milchverarbeitung, nämlich Molke. Ziel ist es, die Machbarkeit eines Verfahrens mit geringerem Energieverbrauch zu demonstrieren, mit dem Materialien hergestellt werden können, deren Eigenschaften für die angestrebten Umweltanwendungen geeignet sind. Die erzielten Ergebnisse sind vielversprechend. Bei den Holzpelletrückständen konnten unter optimalen Bedingungen eine spezifische Oberfläche von 395 m²·g?¹ und ein PAK-Gehalt von 30 ppm erreicht werden, womit das gesetzte Ziel übertroffen und die Umweltkriterien erfüllt wurden. Nussschalen verhalten sich anders: Sie entwickeln bei der Pyrolyse auf natürliche Weise eine hohe Mikroporosität und erreichen ohne Imprägnierung bis zu 307 m²·g?¹, was die Notwendigkeit bestätigt, das Protokoll an die spezifischen Eigenschaften jedes Substrats anzupassen. Dieses Ergebnis veranschaulicht die „Übereinstimmung” zwischen Biomasse, Behandlungssequenz und beabsichtigter Anwendung, wobei einige Substrate eine mineralische Aktivierung erfordern, während andere von einer hauptsächlich physikalischen Aktivierung profitieren. Eine wichtige Erkenntnis betrifft die Möglichkeit, bei reduzierten Temperaturen, insbesondere bei 650 °C und in einigen Fällen bei 500 °C, zu arbeiten und dabei eine hohe Leistung aufrechtzuerhalten. Diese Fähigkeit ebnet den Weg für eine energiesparende Aktivierung, die mit einfachen, massenverlustgesteuerten Verfahren kompatibel ist und ein Potenzial für die Rückführung von Gasen bietet. Das Projekt hebt auch die besondere Rolle von Molke hervor. Obwohl sie kein wirksamer Primäraktivator ist – ihre Verwendung zur Imprägnierung oder zum Quenching vor der Pyrolyse neigt dazu, die Poren zu verstopfen –, erweist sie sich in der Nachbehandlung als besonders nützlich. Nach der Pyrolyse angewendet, ermöglicht sie die Reduzierung oder Beseitigung von PAK und die Einführung von Stickstoff- und Sauerstoff-Funktionsgruppen, die bei herkömmlichen mineralischen Aktivatoren nicht vorhanden sind. Diese Eigenschaften eröffnen die Möglichkeit, bereits pyrolysierte Biokohlen, einschließlich marktüblicher Produkte, für Anwendungen zu funktionalisieren oder zu reinigen, die eine chemisch aktive Oberfläche erfordern (Adsorption polarer organischer Verbindungen, sanfte Katalyse, angereicherte Bodenverbesserung). Diese Fortschritte bestätigen die technische Machbarkeit des Verfahrens und rechtfertigen weitere Entwicklungen zur Optimierung der Abläufe je nach Substrat, zur energetischen Validierung im Pilotmaßstab und zur umfassenden Bewertung der wirtschaftlichen Aspekte, insbesondere der Logistik im Zusammenhang mit Molke. Langfristig könnte WheyActivChar dazu beitragen, eine lokale Branche für funktionalisierte Aktivkohle aufzubauen, die auf der Kreislaufwirtschaft mit Schweizer Ressourcen basiert.
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Schlussbericht
(Englisch)
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The WheyActivChar project comes at a time when the global activated carbon market is experiencing strong growth, driven by demand for sustainable adsorbents for pollution control, water and air purification, and agricultural applications. It offers an innovative way to produce activated biochars from local lignocellulosic residues (wood pellet fines, nut shells), while also making use of an underutilized dairy by-product, whey. The aim is to demonstrate the feasibility of a process with a lower energy footprint, capable of generating materials with properties suited to targeted environmental uses. The results obtained are significant. For wood pellet residues, the best conditions achieved a specific surface area of 395 m²·g?¹ and a PAH content of 30 ppm, exceeding the target and meeting environmental criteria. Walnut shells behave differently: they naturally develop high microporosity during pyrolysis, reaching up to 307 m²·g?¹ without impregnation, which confirms the need to adapt the protocol to the specific properties of each substrate. This result illustrates the “match” between biomass, treatment sequence, and intended application, with some substrates requiring mineral activation and others benefiting from mainly physical activation. An important finding concerns the possibility of operating at reduced temperatures, particularly at 650°C and in some cases at 500°C, while maintaining high performance. This capability paves the way for low-energy activation compatible with simple, mass-loss-driven processes offering the potential for gas recirculation. The project also highlights a specific role for whey. While it is not an effective primary activator—its use in impregnation or quenching prior to pyrolysis tends to clog the pores—it proves particularly useful in post-treatment. Applied after pyrolysis, it reduces or eliminates PAHs and introduces nitrogen and oxygen functional groups that are absent in conventional mineral activators. These properties open up the possibility of functionalizing or purifying already pyrolyzed biochars, including commercial products, for applications requiring a chemically active surface (adsorption of polar organic compounds, mild catalysis, enriched soil amendment). These advances confirm the technical feasibility of the process and justify further developments dedicated to optimizing sequences according to the substrate, pilot-scale energy validation, and a comprehensive assessment of economic aspects, particularly whey logistics. Ultimately, WheyActivChar could contribute to structuring a local functionalized activated biochar sector based on the circular recovery of Swiss resources.
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Schlussbericht
(Französisch)
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Le projet WheyActivChar s’inscrit dans un contexte où le marché mondial du charbon actif connaît une forte croissance, stimulée par la demande pour des adsorbants durables destinés à la dépollution, la purification de l’eau et de l’air ou les applications agricoles. Il propose une voie innovante pour produire des biochars activés à partir de résidus lignocellulosiques locaux (fines de granulés de bois, coques de noix), tout en valorisant un coproduit laitier sous-utilisé, le petit-lait. L’objectif est de démontrer la faisabilité d’un procédé à plus faible empreinte énergétique, capable de générer des matériaux aux propriétés adaptées aux usages environnementaux ciblés. Les résultats obtenus sont significatifs. Pour les résidus de granulés de bois, les meilleures conditions ont permis d’atteindre une surface spécifique de 395 m²·g?¹ et une teneur en HAP de 30 ppm, dépassant l’objectif fixé et respectant les critères environnementaux. Les coques de noix présentent un comportement différent : elles développent naturellement une forte microporosité lors de la pyrolyse, atteignant jusqu’à 307 m²·g?¹ sans imprégnation, ce qui confirme la nécessité d’adapter le protocole aux propriétés propres de chaque substrat. Ce résultat illustre le « match » entre biomasse, séquence de traitement et application visée, certains substrats nécessitant une activation minérale, d’autres profitant d’une activation principalement physique. Un acquis important concerne la possibilité d’opérer à des températures réduites, notamment à 650 °C et dans certains cas à 500 °C, tout en conservant des performances élevées. Cette capacité ouvre la voie à une activation basse énergie compatible avec des procédés simples, pilotés par perte de masse et offrant un potentiel de recirculation des gaz. Le projet met également en évidence un rôle spécifique du petit-lait. S’il ne constitue pas un activateur primaire efficace — son utilisation en imprégnation ou en quenching avant pyrolyse tendant à obstruer les pores — il se révèle particulièrement utile en post-traitement. Appliqué après la pyrolyse, il permet de réduire ou d’éliminer les HAP et d’introduire des groupes fonctionnels azotés et oxygénés, absents avec les activateurs minéraux classiques. Ces propriétés ouvrent la possibilité de fonctionnaliser ou purifier des biochars déjà pyrolysés, y compris des produits du marché, pour des applications nécessitant une surface chimiquement active (adsorption de composés organiques polaires, catalyse douce, amendement de sols enrichi). Ces avancées confirment la faisabilité technique du procédé et justifient des développements ultérieurs consacrés à l’optimisation des séquences selon le substrat, à la validation énergétique en échelle pilote et à l’évaluation complète des aspects économiques, notamment la logistique liée au petit-lait. À terme, WheyActivChar pourrait contribuer à structurer une filière locale de biochar activé fonctionnalisé, fondée sur la valorisation circulaire de ressources suisses.
Zugehörige Dokumente
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