SUPERVISOR
Hamed Zilouei
حمید زیلوئی (استاد راهنما)
STUDENT
Omid Jafari
امید جعفری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Biohydrogen and Biogas Production from Bagasse Using Photocatalyst Nano Titanium Dioxide
Abstaract Fossil fuels have been the main energy source for societies and industries during the last decades. Nowadays, due to over-consumption, depletion of reserves, and rising of the prices together with the huge environmental hazards and greenhouse gas emission, caused by traortation and combustion of fossil fuels, renewable and clean alternatives have shown rising interest by researchers, governments, and industries. Biofuels have been shown excellent potential to be used as renewable energy by its main environmental advantages including no sulfur content and no harmful gas emission, abundant and renewable, clean energy, landfills reduction which can be used to create different products. Biological hydrogen and methane are alternative biofuels with promising approaches to meet the growing demand for energy. This study is aimed to product the dark fermentative biohydrogen and the subsequently anaerobic digestive biomethane as Biofuels and bioenergy from the sugarcane bagasse whitch is wast of Sugarcane factory. To enhance the productions, two series experiment of pretreatment-hydrolysis with nano-TiO 2 and Sulfuric acid was designed. The first series: Sugarcane bagasse (SCB) was pretreated with Nano-Titanium dioxide at concentrations of 0.001, 0.01, 0.1 and 1 g/L and UV irradition for 30, 60, 90 and 120 min. The remainnig solid was hydrolyzed with sulfuric acid 2 %(v/v) at 121°C for 15, 30 and 60 min.The anaerobic sludge was treated at 95 °C for 15 min under anaerobic condition in order to remove the hydrogen consumers and enrich hydrogen from dark fermentative process. In first series, all samples with 30 min acidic hydrolysis produced the most amount of hydrogen. The highest hydrogen production sample 1 g/L and 120 min UV irradiation and 30 min hydrolysis was 100 mL/g.VS whitch shows 127% enhancement over 30 min just hydrolyzed sample. The raw sugarcane bagasse did not produce hydrogen. The 60 min hydrolyzed sample had 591.36 mL/g.VS methane maximum prtoduction with content of 60% .the one-stage biogas production from sugarcane bagasse was 326 mL/g.VS. The analysis of released sugar in acidic hydrolysis and the anylsis of FTIR, XRD, SEM results showed the efficient of photocatalystic pretreatment - acidic hydrolysis on total crystallinity index (TCI) changes of sugarcane lignocellulosic srtructures. In second series SCB was pretreated with sulfuric acid concentrations of 0.5, 1, 1.5 and 2 %( v/v) for 30 min and solids were hydrolyzed with Nano-titanium concentrations of 0.01, 0.1 and 1 g/L for 30 and 60 min UV irraditions. The maximum hydrohgen production was accured in acid pretreatment 2%(v/v) and 0.01 g/L TiO 2 and 60 min UV irradition whitch was 142 mL/g.VS that shows 42% enhancement over first series maximum hydrogen production. According to XRD, FTIR and SEM results, the CI and TCI were decreased with acid pretreatment and the content of lignin was changed in photocatalystic hydrolysis. The optimum condition for acid and photocatalyst to enrich highest hydrogen production from co-treatment of sugarcane bagasse is acid pretreatment and photocatalystic hydrolysis. The hight enhancement biogas production in two-stage condition over one-stage shows that anaerobic fermentation can be added in dark-fermintation to increase the efficiency of biohydrogen production. Key word Biohydrogen, bagasse, acidic treatment, photocatalystic hydrolysis, nano titanium dioxide
در این پژوهش به بررسی تولید بیوهیدروژن و بیوگاز بهعنوان سوخت پاک و بیوانرژی از باگاس، زائدات کارخانه قند از نیشکر پرداختهشده است. بمنظور افزایش میزان تولید دو سری آزمایش پیشفرآوری- هیدرولیز با استفاده از نانوذرات دیاکسیدتیتانیوم و اسیدسولفوریک انجام و بررسی شد. در سری آزمایش اول: پیشفرآوری فتوکاتالیستی باگاس با استفاده از نانوذرات دیاکسید تیتانیوم با غلظتهای 001/0، 01/0، 1/0 و 1 گرم بر لیتر به مدت 30، 60 ،90 و 120 دقیقه تابش UV استفاده شد. سپس، هیدرولیز اسیدی بر روی جامد باقیمانده با استفاده از اسیدسولفوریک 2 درصد حجمی در 121 درجه سانتیگراد به مدت 15، 30 و 60 دقیقه انجامشد. مخلوط میکروبی بیهوازی با استفاده از شوک حرارتی در دمای 95 درجه سانتیگراد به مدت 15 دقیقه پیشفرآوری شد. پس از اتمام تولید بیوهیدروژن مخلوط میکروبی پیشفرآوری نشده، بهعنوان مایه تلقیح برای فرآیند ناپیوسته بیوگاز استفاده شد. بیشترین تولید بیوهیدروژن نمونههای فقط هیدرولیز شده مربوط به زمان هیدرولیز 30 دقیقه و به مقدار 44 میلیلیتر بر گرم جامد فرار است. بیشترین تولید بیوهیدروژن 100 میلیلیتر بر گرم جامد فرار مربوط به نمونه پیشفرآوری شده فتوکاتالیستی در 120 دقیقه تابش UV و 1 گرم بر لیتر نانودیاکسیدتیتانیوم و هیدرولیز اسیدی 30 دقیقه است. تولید بیوهیدروژن از جامد بدون پیشفرآوری- بدون هیدرولیز، صفر است. بیشترین میزان متان در بیشینه تولید بیوهیدروژن هیدرولیز 60 دقیقه و به میزان 36/591 میلیلیتر بر گرم جامد فرار باکیفیت 60 درصد متان تولید شد. تولید متان از باگاس بدون پیشفرآوری- بدون هیدرولیز 326 میلیلیتر بر گرم جامد فرار و کیفیت 52 درصد متان است. نتایج آنالیز قندهای آزادشده در محلول حاصل از هیدرولیز اسیدی و همچنین نتایج حاصل از آزمونهای FTIR، XRD و SEM همگی بیانگر تأثیر مثبت پیشفرآوری فتوکاتالیستی- هیدرولیز اسیدی بر روی کاهش کریستالیتی ساختار لیگنوسلولزی باگاس بوده است. در سری آزمایش دوم آزمایشها، ابتدا پیشفرآوری اسیدی با غلظتهای 5/0، 1، 5/1 و 2 درصد حجمی به مدت 30 دقیقه و 121 درجه سانتیگراد و سپس هیدرولیز فتوکاتالیستی 01/0، 1/0 و 1 گرم بر لیتر نانوذرات دیاکسید تیتانیوم به مدت 30 و 60 دقیقه تابش UV انجام شد. بیشینه تولید بیوهیدروژن 142 میلیلیتر برگرم جامد فرار در شرایط پیشفرآوری اسیدسولفوریک 2 درصد حجمی و هیدرولیز 01/0 گرم بر لیتر نانودیاکسیدتیتانیوم و 60 دقیقه تابش UV حاصل شد که 42 درصد نسبت به بیشینه تولید هیدروژن سری اول افزایش یافت. بررسی آزمون FTIR،XRD و SEM حاکی از تغییرات شاخص کریستالینیتی در فرآوری اسیدی و کاهش میزان لیگنین در فرآوری فتوکاتالیستی در ساختار جامد بهمنظور بهبود هضم بیهوازی و تولید بیوهیدروژن است و همچنین بهترین ترتیب انجام فرآیند فرآوری برای افزایش تولید بیوهیدورژن استفاده از ترکیب پیش فرآوری اسیدی- هیدرولیز فتوکاتالیستی است. کلمات کلیدی بیوهیدروژن، باگاس، پیشفرآوری اسیدی ، هیدرولیز فتوماتالیستی، نانودیاکسیدتیتانیو