بررسی فرآیند حذف سولفید هیدروژن از بیوگاز با فرآیند بیواسکرابینگ با استفاده از نانوسیال

STUDENT

DEGREE

YEAR

Biogas has attracted interest as an important source of renewable energy in recent years. Biogas is produced from anaerobic digestion of organic materials by microorganisms. Biogas contains about 60 percent methane and 40 percent carbon dioxide and some other impurities such as hydrogen sulfide, ammonia, nitrogen. H 2 S with 10 ppmv to 10000 ppmv is the main impurity in biogas and must be removed due to downstream corrosion of facilities and its toxicity. In this Thesis, bioscrubber as a biological method was investigated for removal of H 2 S from biogas. To achieve this task, a bubble absorption tower was used to absorb H 2 S from the gas stream into water or nanofluids. The absorbed H 2 S was then treated in a suspended growth bioreactor containing activated sludge. Silica-water nanofluid and graphene oxide-water nanofluid were used as absorbent in this work. The results of laboratory tests showed that both silica-water nanofluid with particle loading of 0.1 %wt. (SS 100) and graphene oxide-water nanofluid with particle loading of 0.02 %wt. (EGO 020) were capable of absorbing H 2 S 40% more than that of the base fluid (BF). The results of selectivity test showed that nanofluid EGO 020 absorbed H 2 S, selectively, while SS 100 nanofluid, absorbed both H 2 S and CO 2 . It was concluded that the main mechanism for enhancement of mass transfer by nanofluids was the grazing effect. Grazing effect is defined by adsorption of gas molecules on the nanoparticle surface in the gas-liquid interface and traortion of the gas molecules into the bulk liquid by particles. This take place due to intermolecular forces between gas molecules and functional groups on the nanoparticle surfaces. Effective diffusivity coeficients of H 2 S in SS 100 and EGO 020 nanofluids were 2.9×10 -9 and 2.75×10 -9 m 2 /s, respectively. These values are 52 and 44 percent more than that of the base fluid (1.9×10 -9 m 2 /s), respectively. The increase in effective diffusivity is due to the grazing in nanofluids. EGO 020 nanofluid showed better performance in absorption of H 2 S in laboratory scale. In the next stage, biogas produced in the North Isfahan Waste Water Treatment Plant located in Doulatabad-Isfahan was treated in a pilot scale bioscrubber. The base fluid and SS 100 and EGO 020 nanofluids were applied as absorbents. Results of pilot tests showed that for input biogas flow rate of 7 LPM, the absorbents BF, SS 100 and EGO 020 eliminated 39, 61 and 55 percent of the hydrogen sulphide content in the inlet biogas for retention time of 27 seconds, while for the input biogas flow of 15 LPM (retention time of 12 seconds), respectively 23, 52 and 52 percent of H 2 S in the biogas was eliminated. Longe time bioscrubber performance was studied for all absorbents and results showed that Removal Efficiency (RE) for base fluid, SS 100 and EGO 020 nanofluids during 31, 20 and 20 days eliminated 98, 97 and 86 percent of H 2 S, respectively. Presence of SS and EGO nanoparticles with 0.1 and 0.02%wt. respectively, showed no harm to the microorganism performance. Nanofluids investigated in this work may apply as effective absorbents in bioscrubbers.

بیوگاز به عنوان یکی از مهمترین منابع انرژی تجدیدپذیر در سالهای اخیر مورد توجه قرار گرفته است. بیوگاز که از تجزیه بی هوازی ترکیبات آلی توسط میکرواورگانیسم ها تولید می شود، شامل حدود 60 درصد متان و 40 درصد دی اکسید کربن و مقداری ناخالصیهای دیگر از قبیل سولفید هیدروژن، آمونیاک و نیتروژن است. گاز سولفید هیدروژن در بیوگاز بعنوان مهمترین ناخالصی با غلظت حدود ppmv 10 تا ppmv 10000 هم بدلیل ایجاد خوردگی در تأسیسات و هم بدلیل سمیت آن بایستی قبل از استحصال بیوگاز از آن جدا شود. در این تحقیق روش بیواسکرابر بعنوان یک روش بیولوژیکی برای حذف سولفید هیدروژن از بیوگاز بکار برده شد. در این روش ابتدا با یک برج جذب حبابی گاز سولفید هیدروژن موجود در بیوگاز جدا می شود. سپس سولفید هیدروژن جذب شده برای حذف شدن از جاذب به یک بیوراکتور رشد معلق حاوی لجن فعال ارسال می گردد. بعنوان جاذب نانوسیالات سیلیس-آب و اکسید گرافن-آب بعنوان دو جاذب با کارایی مناسب برای جذب در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفتند. نتایج تستهای آزمایشگاهی نشان داد که هر دو نانوسیال سیلیس-آب با کسر وزنی نانوذرات 1/0 درصد (SS 100) و نانوسیال اکسید گرافن-آب با کسر وزنی ذرات 02/0 درصد (EGO 020) قادر به جذب سولفید هیدروژن به اندازه 40 درصد بیشتر از سیال پایه (آب) هستند. همچنین نتایج آزمونهای انتخاب پذیری نشان داد که نانوسیال EGO 020 نسبت به جذب سولفید هیدروژن انتخاب پذیر است و دی اکسید کربن را جذب نمی کند در حالیکه نانوسیال SS 100 هم سولفید هیدروژن و هم دی اکسید کربن را جذب می کند. علت بهبود انتقال جرم توسط نانوسیالات پدیده گریزینگ شناخته شد. براین اساس مولکولهای گاز در فصل مشترک گاز-مایع بر سطح نانوذرات جذب سطحی شده و پس از انتقال نانوذرات به بالک مایع این مولکولهای جذب شده وارد بالک مایع می شوند. وجود نیروهای بین مولکولی بین مولکول گاز جذب شده و گروههای عاملی موجود بر سطح نانوذرات عامل ایجاد پدیده گریزینگ معرفی شد. در آزمون دیگری پارامترهای انتقال جرم از قبیل ضریب نفوذ و ضریب انتقال جرم برای نانوسیالات و سیال پایه با استفاده از برازش معادله حاصل از مدلسازی فرآیند جذب بر داده های آزمایشگاهی تعیین شدند. ضریب نفوذ موثر سولفید هیدروژن در نانوسیالات SS 100 و EGO 020 به ترتیبm 2 /s 9- 10×9/2 و 9- 10×75/2 بدست آمد که این مقادیر در مقایسه با سیال پایه (m 2 / 9- 10×9/1) به ترتیب 52 و 44 درصد بیشتر می باشند. علت اصلی افزایش ضریب نفوذ موثر در نانوسیالات گریزینگ است. نتایج آزمونهای جذب نشان می دهد که نانوسیال EGO 020 کارایی بهتری برای جذب سولفید هیدروژن در مقیاس آزمایشگاهی خواهد داشت. در مرحله بعدی در مقیاس نیمه صنعتی بیوگاز تولیدی در تصفیه خانه شمال اصفهان واقع در منطقه دولت آباد توسط روش بیواسکرابینگ با جاذبهای سیال پایه و نانوسیالات SS 100 و EGO 020 مورد تصفیه قرار گرفت. نتایج آزمونهای نیمه صنعتی نشان می دهد که هر یک از جاذبهای آب، SS 100 و EGO 020 قادرند در شدت جریان بیوگاز ورودی LPM7 به ترتیب 39، 61 و 55 درصد از محتوای سولفید هیدروژن در بیوگاز ورودی را در طول یک متر از برج جذب (معادل زمان ماند 27 ثانیه) و در شدت جریان بیوگاز ورودی LPM 15 (معادل زمان ماند 12 ثانیه) به ترتیب 23، 52 و 52 درصد از سولفید هیدروژن در بیوگاز را جذب نمایند. عملکرد بیواسکرابر برای هر یک از جاذبها در مدت زمان طولانی تری مورد ارزیابی قرار گرفت و نتایج نشان داد که می توان با استفاده از جاذبهای سیال پایه و نانوسیالات SS 100 و EGO 020 به بازده حذف سولفید هیدروژن جذب شده به ترتیب 98، 97 و 86 درصد دست یافت. مجموعه آزمونهای تکمیلی بیولوژیکی که در مقیاس آزمایشگاهی انجام گردید ثابت نمود که با حضور نانوذرات سیلیس و اکسید گرافن با کسرهای وزنی به ترتیب 1/0 و 02/0 درصد اثر سوء چشمگیری بر عملکرد میکرواورگانیسم ها عارض نخواهد شد و لذا این نانوسیالات را می توان با موفقیت در سیستم های بیولوژیکی مانند بیواسکرابر بکار برد.