Biotrickling-filter understøtter effektiv hydrogen-methan-omdannelse til biologisk biogasopgradering

Biologisk brint-methan-omdannelse refererer til produktionen af ​​metan gennem virkningen af ​​mikroorganismer ved hjælp af brint genereret ved elektrolyse af vand med resterende energi og kuldioxid til stede i biogas. Denne tilgang lover at overvinde begrænsningerne ved brintlagring, sænke den økonomiske byrde ved biogasopgradering og muliggøre kulstofnegativ udnyttelse af CO₂ i biogas.

Tidligere har forskere fra Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology fra det kinesiske videnskabsakademi domesticeret og opnået mikroorganismer med høj hydrogen-methan-omdannelseseffektivitet. De har også udviklet to produktionsprocesser til in-situ og ex-situ biologisk hydrogen-methan omdannelse. Den vigtigste faktor, der begrænser effektiviteten af ​​hydrogen-methan-omdannelse, er dog fortsat den lave gas-væske-masseoverførselshastighed for hydrogen.

For at imødegå begrænsningerne af lave brintmasseoverførselshastigheder i hydrogen-methan-omdannelsesprocessen udviklede forskerne et biotrickling-filter (BTF), som letter mikroorganismernes vækst ved at bruge pakningsmateriale med en ru indre overflade. Det sikrer fuld kontakt mellem gas- og væskefasen og øger derved effektiviteten af ​​brintudnyttelsen.

Undersøgelsen er blandt andet offentliggjort i Chemical Engineering Journal .

I denne undersøgelse startede forskerne med at udforske virkningerne af temperaturer (25°C, 37°C og 55°C) på hydrogen-methan-omdannelsesvejen for at bestemme den optimale temperatur for biotrickling-filtrene. Under driften af ​​biotrickling-filteret, virkningerne af pakningsmaterialerne (keramit, vulkansk sten, aktivt kul) og det optimale forhold mellem inputgassen (H₂ /CO₂ , v/v) på konverteringsprocessen blev evalueret.

Ifølge forskerne var de udvalgte emballagematerialer miljøvenlige, og deres store specifikke overfladeareal og porøsitet lettede vækst og vedhæftning af mikroorganismer. Dette sikrer tilstrækkelig kontakt mellem mikroorganismerne og gasfasen, hvilket i høj grad forbedrer gas-væske masseoverførsel.

Resultaterne viste, at højere temperatur er befordrende for hydrogen-methan-omdannelse. Ved 25°C var hydrogen-methan-omdannelseseffektiviteten lav (2,5 L/Lw·d), og det meste af hydrogenet og kuldioxiden blev brugt til at fremstille acetat.

Ved 55°C, selv om reaktionsprocessen oprindeligt var ustabil, nåede den til sidst stabilitet og opnåede en hydrogen-methan-omdannelseseffektivitet på 8,3 L/Lw·d. I modsætning hertil var omdannelseseffektiviteten stadig væsentlig ved 37°C, hvilket opnåede 7,1 L/Lw·d. Navnlig var der ingen signifikant forskel i den overordnede methanogeneseproces mellem 37°C og 55°C.

Hertil kommer den optimale indgangsgas (H₂ /CO₂ ) forhold blev bestemt i BTF-eksperimentet, hvilket opnåede det mest tilfredsstillende forhold ved 2,5:1 (H₂ /CO₂ , v/v), hvilket var lavere end tidligere rapporterede værdier, men der blev opnået højere kuldioxidfjernelseseffektivitet.

Biofilmene, der klæber til de tre pakkematerialer, opnåede alle effektiv hydrogen-methan-omdannelseseffektivitet i forholdet 2,5:1, hvor BTF'en brugte aktivt kul som pakkematerialet opnåede den højeste og mest stabile konverteringseffektivitet (91,9%).

Den relative fluorescensintensitetsmåling bekræftede, at aktivt kul havde overlegen mikrobiel immobilisering. Denne undersøgelse giver en lovende tilgang til anvendelsen af ​​BTF'er i biogas hydrogen-methan konvertering.

Flere oplysninger: Jie-Hua Huang et al., Biogas-opgradering ved hjælp af biotrickling-filter:Effekter af temperatur og pakkematerialer, Chemical Engineering Journal (2023). DOI:10.1016/j.cej.2023.148367

Journaloplysninger: Chemical Engineering Journal

Leveret af Chinese Academy of Sciences