SUPERVISOR
Hamed Zilouei,Ahmad Asadinejad
حمید زیلوئی (استاد راهنما) احمد اسدی نژاد (استاد راهنما)
STUDENT
Mohsen Ghasemian
محسن قاسمیان
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Investigation of Biogas and Biohydrogen Production Potential from Cotton Waste with Alkali Pretreatment
Fossil fuels are source of non-renewable energy and also have seriously negative impacts on the environment, e.g. soil, water, air, and climates. These problems are caused to serious attention in use of renewable energy resources by many countries. Regarding this matter, using the energy from biomass sources such as biogas and biohydrogen is one of the best options. Annual production of 33 million tones cotton in the world (in 2012) is associated with production of huge amounts of cotton plant wastes. In current study, potential of biogas and biohydrogen production from cotton plant wastes (cotton stalk and boll) was investigated. In order to improve yield of biogas and biohydrogen production, alkaline pretreatment was performed with 8% sodium hydroxide solution (by weight) at 0°C and 100°C for 10, 30 and 60 minutes, and with 4 and 8% ammonia solution (by weight) at 40°C and 80°C for 6 and 12 hours. Anaerobic digestion process was performed with mixed culture obtained from Isfahan North Wastewater Treatment sludge at mesophilic conditions at 37°C. Prior to biohydrogen production experiments, mixed culture was thermally pretreated at 85°C for 45 minutes to remove hydrogen consuming bacteria. According to the results, 80.8 and 88.5 mL CH 4 /g-VS was produced from untreated cotton stalk and boll, respectively. More biogas was produced from pretreated samples (except for the boll pretreated by 8% wt sodium hydroxide at 0°C for 60 min and the boll pretreated by 8% wt ammonia at 40°C for 6 h) compared to untreated ones. The maximal biogas production of 246.4 mL CH 4 /g-VS (78.3% of the theoretical value of methane production) was achieved from the boll pretreated by 8% wt sodium hydroxide solution at 100°C for 10 min. Furthermore, this pretreatment method led to the highest reduction in lignin content (31%) and the highest increase in glucan content (21.7%). Prolongation of sodium hydroxide at both temperatures (0 and 100°C) resulted in reduction of methane production; while more increment in methane production was achieved by performing the pretreatment at higher temperature compared to lower temperature. In addition, the best result by ammonia pretreatment of boll was obtained at the pretreatment condition of 4% wt ammonia concentration and 80 °C for 12 h. Increasing the temperature of ammonia pretreatment of boll at both ammonia concentrations (4 and 8% wt) resulted in more methane production. The highest methane production of 219 mL CH 4 /g-VS (76.6% of the theoretical value of methane production) was obtained from cotton stalk by 4% wt ammonia solution treatment at 80°C for 12 hours; whereas performing the pretreatment at lower temperature produced methane with lower yield. In addition, the best result by sodium hydroxide pretreatment of cotton stalk (205.4 mL CH 4 /g-VS) was obtained at the pretreatment condition of 8% wt sodium hydroxide concentration and 0°C for 60 min; while lower methane was produced from sodium hydroxide pretreated cotton stalk at higher temperature. . Amount of methane in produced biogas from pretreated materials was 54-61% in term of volume. Samples accompanied with the highest methane production, were used to hydrogen production. Once again, sodium hydroxide pretreated boll at the same conditions which led to maximum methane production, caused the maximal hydrogen production of 17 mL per gram of volatile solids. The highest hydrogen production of 15.2 mL per gram of volatile solids was achieved by 4% wt ammonia solution treatment. The results of the hydrogen production in this study showed satisfactory agreement with Gompertz equation, which is a kinetic model for describing substrate decomposition and biohydrogen production by batch method relative to the time. Crystallinity index measured by FTIR method for the untreated and treated cotton stalk by 8% wt sodium hydroxide and 4% wt ammonia were 0.85, 0.82 and 0.8, respectively; while these values for boll were 0.96, 0.74 and 0.78, respectively. SEM images of samples showed that the pretreated samples external surface area and their porosity were increased by pretreatment. Key words :Alkali pretreatment,Biogas,Biohydrogen, Cotton waste, Lignocellulosic materials.
سوختهای فسیلی منابع تجدیدناپذیر انرژی هستند و اثرات بسیار بدی بر محیط زیست از قبیل خاک، آب، هوا و شرایط جوی میگذارند.این مشکلات سبب توجهی جدی کشورها به استفاده از منابع تجدیدپذیر انرژی شده است. یکی از بهترین گزینهها در این زمینه استفاده از انرژی به دست آمده از منابع زیستتوده مانند بیوگاز و بیوهیدروژن است. تولید سالیانه 33 میلیون تن پنبه در جهان (سال 2012) باعث تولید مقادیر زیادی ضایعات از این گیاه میشود. در این پژوهشپتانسیل تولید بیوگاز و بیوهیدروژن از ضایعات گیاه پنبه (ساقه و غوزهی پنبه) بررسی گردید.به منظور افزایش بازده تولید بیوگاز و بیوهیدروژن،پیشفراوری قلیایی با محلول هیدروکسید سدیم 8% وزنی در دمای صفر و 100 درجهی سانتیگراد به مدت 10، 30 و 60 دقیقه و با محلول آمونیاک 4 و 8% وزنی در دماهای 40 و 80 درجهی سانتیگراد و به مدت 6 و 12 ساعتانجام گردید. فرآیند هضمبیهوازی با مخلوط میکروبی به دست آمده از لجن حاصل از تصفیه خانهی فاضلاب شمال اصفهان در شرایط مزوفیل در دمای 37 درجهی سانتیگراد انجام شد. قبل از انجام آزمایشهای تولید بیوهیدروژن به منظور حذف باکتریهای مصرف کنندهی هیدروژن، مخلوط میکروبی به مدت 45 دقیقه و در دمای 85 درجهی سانتیگراد پیشفراوری گرمایی شد.از ساقه و غوزهی پنبه پیشفراوری نشده به ترتیب 8/80 و 5/88 میلی لیتر متان به ازای هرگرم جامد فرار تولیدگردید. از نمونههای پیشفراوری شده (به جز غوزه در دوحالت پیشفراوری شده با هیدروکسیدسدیم8% وزنی، صفر درجه سانتیگراد و به مدت 60 دقیقه و پیشفراوری شده با آمونیاک 8% وزنی، 40 درجه سانتیگراد و به مدت 6 ساعت) نسبت به نمونههای پیشفراوری نشده بیوگاز بیشتری تولیدشد. بیشترین تولید بیوگاز برابر با 4/246 میلی لیتر متان برگرم جامد فرار (3/78% مقدار تئوری)و از غوزهی پنبه پیشفراوری شده با هیدروکسید سدیم 8%، به مدت 10 دقیقه و 100 درجهی سانتیگراد به دست آمد. علاوه بر این، این پیشفراوری بیشترین کاهش میزان لیگنین (31%) و بیشترین افزایش مقدار گلوکان (7/21%) را داشت. افزایش زمان در پیشفراوری غوزه با هیدروکسیدسدیمدر هر دو دمای صفر و صد درجهی سانتیگرادمنجر به کاهش تولید متان شد؛ در حالی که پیشفراوری در دمای بالا نسبت به دمای پایین تاثیر بیشتری بر افزایش بازده تولید متان به همراه داشت. همچنین بیشترین بیوگاز تولید شده از غوزهی پنبه پیشفراوری شده با آمونیاک برابر با 9/228 میلی لیتر متان بر گرم جامد فرار در دمای 80 درجه سانتیگراد به مدت 12 ساعت و با محلول آمونیاک 4% به دست آمد. در پیشفراوری غوزه با آمونیاک در هر دو غلظت آمونیاک (4 و 8%) با افزایش دمای پیشفراوری میزان متان تولیدی نیز افزایشیافت.برای ساقه نیز بیشترین مقدار متان تولیدی برابر با 219 میلی لیتر بر گرم جامد فرار (6/76% مقدار تئوری) بود که برای نمونهی فراوری شده با آمونیاک 4%، 12 ساعت و 80 درجهی سانتیگراد به دست آمد، در حالی که این پیشفراوری در دمای پایینتربازده تولید متان کمتری در پی داشت. همچنین بیشترین بیوگاز تولید شده از ساقهی پنبه پیشفراوری شده با محلول هیدروکسیدسدیم 8 % وزنی در دمای صفر درجه سانتیگراد و به مدت 60 دقیقه برابر با 4/205 میلی لیتر بر گرم جامد فرار شد. این در حالی است که ساقه پیشفراوری شده با هیدروکسیدسدیم در دمای بالاتر متان کمتری را تولید نموده است.درصد متان در بیوگاز تولیدی برای نمونههای پیشفراوری شده 61%-54 (حجمی) بود. نمونههایی که بیشترین تولید متان را داشتند برای تولید هیدروژن استفاده شدند. در اینجا هم غوزهی پیشفراوری شده با هیدروکسید سدیم (با همان شرایطی که بیشترین تولید متان را در پی داشت) بیشترین مقدار هیدروژن را برابر با 17 میلی لیتر بر گرم جامد فرار تولید کرد. بیشترین هیدروژن تولیدی از ساقه نیز برابر با 2/15 میلی لیتر بر گرم جامد فرار و برای فراوری با آمونیاک 4% بود. نتایج حاصل از تولید هیدروژن در این تحقیق، تطابق قابل قبولی با معادله گامپرتز که یک مدل سینتیکی برای توصیفتجزیهی سوبسترا و تولید هیدروژن نسبت به زمان به روش ناپیوسته است، داشت. برای ساقهی پیشفراوری نشده و فراوری شده با سود 8%و آمونیاک 4%،شاخص کریستالی اندازهگیری شده به روش FTIRبه ترتیب برابر با 85/0، 82/0 و 8/0 به دست آمد؛ در حالی که این مقادیر برای غوزه به ترتیب 96/0، 74/0 و 78/0 حاصل شد. تصاویر SEMنمونهها نشان داد که میزان تخلخل و سطح در دسترس نمونههای پیشفراوری شده نسبت به نمونههای پیشفراوری نشده افزایش یافته است.