SUPERVISOR
Hamed Zilouei
حمید زیلوئی (استاد راهنما)
STUDENT
Ramin Shafieepoor
رامین شفیعی پور
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Biohydrogen and Biogas Production from Rice Straw using Alkaline Pretreatment and Nano-Titanium Dioxide Photocatalysis
Nowadays ever-increasing consumption of fossil fuels due to populate as well as industrial growth has led to serious ecological threats due to excessive emission of greenhouse gases and pollutants. Therefore, using renewable recources as alternative for fossil fuels has been chosen as an important and interesting strategy in recent years. Biomass is among the cleanest and least expensive choice of renewable recources which has been the subject of many researches during last years. Rice straw is one of the most frequent lingocellulosic crop residues which is plentiful in Asian countries especially Iran and case a lot of environmental problems after harvesting the rice for the farm. The problem with using rice straw, like other lingocellulosic feed stocks, is its structural solidity due to lateral bonds between cellulose, hemi-cellulose, and lignin. To further expedite anaerobic digestion and dark fermentation by microorganisms, it is necessary to destruct the crystalline structure through various pretreatment methods. In this study, the effect of alkaline pretreatment via sodium hydroxide followed by nano-titanium dioxide photocatalysis on rice straw was performed in order to increase biohydrogen and biogas yield through dark fermentation and anaerobic digestion. Anaerobic sludge was used as inoculum for anaerobic digestion while heat shocked (15 min at 95?C) pretreated sludge was used for dark fermentation. Rice straw was first pretreated using 3 concentrations of NaOH (0, 2, 4% (w/v)) at three temperatures (30, 60, 90?C). The pretreated rice straw was further hydrolyzed using three concentrations of TiO 2 (0, 0.01, 0.1% (w/v)) under UV irradiation for two time durations (30, 60 min). Dark fermentation was performed for 4 days and hydrogen in gas phase and volatile fatty acids (VFAs) in liquid phase were analyzed. Consecutive production of biogas was studied by addition of anaerobic microbial inoculum to remain of the hydrogen fermentation. All experiments were carried out in 118 ml dark bottles at 37?C for duplicates. Quantitative investigations were done using parameters of total and volatile solids, analysis of biohydrogen and biogas, concentration of the produced volatile fatty acids, and combination percentage of carbohydrate and lignin in solid samples. Qualitative comparison of samples was performed using scanning electron microscopy (SEM) pictures. Total and cellulosic crystallinity were investigated using fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray diffraction (XRD) tests. A significant effect was observed in alkaline pretreatment followed by TiO 2 on rice straw as increasing the surface availability and decreasing crystallinity, as well as lignin removal. The highest biohydrogen production (86 ml/g VS) was occured in the sample pretreated with 4% NaOH at 90?C followed by hydrolysis at 0.1% TiO 2 for 60 min UV irradiation, shows five-fold enhancement compared to the non-pretreated sample and two-fold enhancement compared to absence of TiO 2 . The highest amount of biomethane production (577 ml/g VS) was achieved in pretreatment with 0% NaOH at 30?C followed by hydrolysis at 0.1% TiO 2 for 60 min UV irradiation, which shows two-fold enhancement compared to the non-pretreated sample. Keywords: Biohydrogen, Biogas, Rice Straw, Alkaline Pretreatment, Nano-Titanium Dioxide
امروزه مصرف روزافزون انرژی حاصل از سوختهای فسیلی اگرچه رشد سریع اقتصادی جوامع مختلف را به همراه داشته است، اما به واسطهی انتشار آلایندههای حاصل از احتراق این سوختها و محدود بودن منابع آنها، جهان را با تغییرات زیست محیطی تهدیدآمیزی روبه رو ساخته است. لذا جایگزین کردن انرژی حاصل از سوختهای فسیلی با انرژیهای تجدیدپذیر در آینده الزامی خواهد بود. یکی از مهمترین انرژیهای تجدیدپذیر، پاک و ارزان، انرژی حاصل از سوختهای زیستی است. مواد لیگنوسلولزی از منابع فراوان و ارزان برای تولید این سوختها هستند. کاه برنج یکی از فراوانترین لیگنوسلولزهای بازمانده از محصولات کشاورزی در جهان و به خصوص کشورهای آسیایی میباشد. مشکل استفاده از کاه برنج همانند سایر لیگنوسلولزها، استحکام ساختار آن بهدلیل وجود اتصالات عرضی بین سلولز، همی سلولز و لیگنین میباشد. برای سهولت هضم بی هوازی و تخمیر تاریک توسط میکروارگانیسمها نیاز به شکستن این پیوندها از طریق انواع روشهای پیشفرآوری ضروری است. در این پژوهش تاثیر پیشفرآوری قلیایی با سدیم هیدروکسید به صورت ترکیب با فتوکاتالیست نانودیاکسید تیتانیوم بر روی کاه برنج به منظور افزایش بازدهی تولید بیوهیدروژن و بیوگاز در فرآیند تخمیر تاریک و هضم بیهوازی با استفاده از لجن بیهوازی به عنوان مایع تلقیح مورد بررسی قرار گرفت. جهت تولید بیوهیدروژن مخلوط میکروبی بی هوازی با استفاده از شوک حرارتی در دمای 95 درجهی سانتیگراد به مدت 15 دقیقه پیشفرآوری شد. کاه برنج با استفاده از سدیم هیدروکسید در 3 غلظت 0، 2 و 4% (وزنی-حجمی) و در 3 دمای 30، 60 و 90 درجهی سانتیگراد مورد پیشفرآوری قرار گرفت و سپس از تیتانیوم دیاکسید در 3 غلظت 0، 01/0 و 1/0% (وزنی-حجمی) در حضور تابش اشعهی UV در دو زمان 30 و 60 دقیقه استفاده شد. سپس از این کاه در فرآیند تخمیر تاریک برای تولید بیوهیدروژن استفاده و پس از آن با افزودن مخلوط میکروبی بیهوازی پیشفرآوری نشده بر روی بقایای تخمیر هیدروژن، امکان تولید بیوگاز به صورت متوالی و در فرآیند هضم بیهوازی بررسی شد. آزمایشات درون راکتورهایی با حجم 118 میلیلیتر به صورت ناپیوسته در دمای 37 درجهی سانتیگراد انجام شد. در این تحقیق از پارامترهای جامدات کل و جامدات فرار، آنالیز گازهای بیوهیدروژن و بیوگاز تولیدی، غلظت اسیدهای چرب فرار تولید شده و ترکیب درصد کربوهیدرات و لیگنین موجود در نمونههای جامد جهت بررسیهای کمی استفاده شد. همچنین از تصاویر SEM برای مقایسهی کیفی و از آزمون FTIR و XRD جهت بررسی بلورینگی کل و سلولزی استفاده و نتایج آن تحلیل شد. نتایج حاصل از تمامی آنالیزها بیانگر تاثیر مثبت پیشفرآوری قلیایی به صورت ترکیب با فتوکاتالیست نانودیاکسید تیتانیوم بر روی کاه برنج در افزایش سطح قابل دسترس، کاهش درجهی بلورینگی و لیگنینزدایی میباشند. بیشترین مقدار تولید بیوهیدروژن مربوط به نمونهی پیشفرآوری شده با سدیم هیدروکسید 4% در دمای 90 درجهی سانتیگراد، غلظت 1/0% تیتانیوم دیاکسید و 60 دقیقه تابش اشعهی UV برابر با 86 میلیلیتر بر گرم جامد فرار است که نشان از افزایش بیش از 5 برابری نسبت به نمونهی پیشفرآوری نشده و افزایش تقریباً 2 برابری نسبت به نمونهی پیشفرآوری شده با غلظت 4% سدیم هیدروکسید در دمای 90 درجهی سانتیگراد بدون حضور تیتانیوم دیاکسید دارد. بیشترین مقدار بیومتان تولیدی نیز در شرایط پیشفرآوری با سدیم هیدروکسید با غلظت صفر، دمای 30 درجهی سانتی گراد، غلظت 1/0% تیتانیوم دیاکسید و 60 دقیقه تابش اشعهی UV برابر با 577 میلیلیتر بر گرم جامد فرار حاصل شد که این مقدار نسبت به نمونهی بدون پیشفرآوری افزایش بیش از 2 برابری را نشان میدهد. کلمات کلیدی: بیوهیدروژن، بیوگاز، کاه برنج، پیشفرآوری قلیایی، نانودیاکسید تیتانیوم