Oberflächenmodifizierung von Biokohle durch Mikrogranulierung als Vorbehandlungstechnik
Das Green Zinc Project konzentriert sich in erster Linie auf die Rückgewinnung von Zink – und damit verbundenen Metallen wie Blei – aus Sekundär- und Abfallstoffen, die in der metallurgischen Industrie anfallen. Traditionell werden in diesen Prozessen fossile Reduktionsmittel wie Kohle, Petrolkoks und metallurgischer Koks verwendet, deren Einsatz jedoch erheblich zu anthropogenen CO₂- und anderen Treibhausgasemissionen beiträgt. Biokohle bietet eine nachhaltige Alternative. Biokohle wird durch Pyrolyse von Biomasse in einer inerten Atmosphäre bei erhöhten Temperaturen hergestellt, gilt als CO₂-neutral und enthält einen hohen Anteil an gebundenem Kohlenstoff, der mit dem von fossilen Reduktionsmitteln vergleichbar ist.
Trotz seiner Vorteile stellt unbehandelte biokohle aufgrund ihrer geringen Schüttdichte, hohen Reaktivität, porösen Struktur und geringen mechanischen Festigkeit eine Herausforderung für metallurgische Anwendungen dar. Um diese Einschränkungen zu beheben, wurden Oberflächenmodifikationen und Verdichtungen unter Verwendung verschiedener Bindemittel durchgeführt, darunter Bentonit, Calciumhydroxid, Zement, Melasse und Lignosulfonat. Diese Bindemittel fördern die Pelletverfestigung, indem sie die Kapillar- und Viskositätskräfte verändern, die einzelne Biokohlepartikel miteinander verbinden.
Eine weiterentwickelte Verdichtungsmethode, die Mikrogranulierung, wurde ebenfalls angewendet. Diese bewährte Technik erhöht die Korngröße, Dichte und mechanische Festigkeit der Pellets und verringert gleichzeitig ihre Reaktivität. Während der Mikrogranulierung füllen Bindemittel die Makroporen innerhalb der Biokohlematrix und verschließen sie, wodurch deren Reaktivität verringert und ihre Robustheit erhöht wird. Die Wirksamkeit der Oberflächenmodifizierung wurde mithilfe der Rasterelektronenmikroskopie (REM) zur Charakterisierung morphologischer Veränderungen und eines modifizierten Koksreaktivitätsindex (CRI) zur Bewertung der Reaktivität bewertet. REM-Bilder (Abbildung 1) bestätigten die erfolgreiche Modifizierung der Biokohleoberfläche, während die kombinierten REM- und modifizierten CRI-Ergebnisse zur Bewertung des Gesamterfolgs und der Leistungsfähigkeit der Mikrogranulierung als Oberflächenmodifizierungstechnik herangezogen wurden.
Abbildung 1: Mikrostruktur von unbehandelter Biokohle, Petrolkoks zum Vergleich und modifizierter Biokohle mit 5 Gew.-% Bentonit
Ein modifizierter Coke Reactivity Index (CRI)-Test wurde unter Verwendung eines Rohröfen durchgeführt. Die Erwärmung auf 950 °C erfolgte mit einer Heizrate von 6,3 K/min unter Stickstoffatmosphäre. Nach Erreichen der Zieltemperatur wurde diese 15 Minuten lang in einer CO2-Atmosphäre von 5 l/h gehalten. Die Zugabe von Bindemitteln reduzierte die Reaktivität von Biokohle erheblich, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2: Modifizierte CRI-Werte von Biokohleproben (UB: unbehandelte Biokohle, BB1: Biokohle-1 Gew.-% Bentonit, BB3: Biokohle-3 Gew.-% Bentonit, BB5: Biokohle-5 Gew.-% Bentonit, BC1: Biokohle-1 Gew.-% Ca(OH2), BC3: Biokohle-3 Gew.-% Ca(OH2), BC5: Biokohle-5 Gew.-% Ca(OH2) und PC: Petrolkoks)
Impacts und Auswirkungen
Die Mikrogranulierung erwies sich als eine wichtige und effektive Vorbehandlungsmethode für oberflächenmodifizierte Biokohle, die zu einer verbesserten mechanischen Festigkeit und einer verringerten Reaktivität führte, die für metallurgische Anwendungen geeignet ist. In seiner unbehandelten Form hat Biokohle eine geringe Dichte und ist hochreaktiv. Daher neigt sie dazu, bei Kontakt mit heißen Gasen in pyrometallurgischen Prozessen schnell zu verbrennen, was eine effektive Beteiligung an der Reduktion in der Schmelzphase verhindert. Durch die Mikrogranulierung wurde die Reaktivität der Biokohle deutlich verringert, wodurch ihre sofortige Verbrennung verlangsamt wurde.