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Title: Influência do tratamento do carvão da pirólise do lodo de esgoto na purificação do biogás, simulando os gases obtidos do processo de fermentação de dejetos suínos
Other Titles: Influence of the treatment of the char from the pyrolysis of the sewage sludge on the purification of biogas gas mixture that is similar to the gases obtained from the fermentation of swine manure
Authors: Possa, Rosângela Dala
Keywords: Purificação do biogás;Carvão do lodo de esgoto;Capacidade de adsorção;Curva de ruptura;Leito fixo;Modelo de adsorção
Issue Date: 6-Jul-2018
Citation: POSSA, Rosângela Dala. Influência do tratamento do carvão da pirólise do lodo de esgoto na purificação do biogás, simulando os gases obtidos do processo de fermentação de dejetos suínos. 2018. 100f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2018.
Portuguese Abstract: O biogás é uma valiosa fonte de energia renovável, pois é composto principalmente por metano (60-80%), dióxido de carbono (20-40%), e traços de amônia e gás sulfídrico. Sendo o metano o principal componente de interesse, fazendo-se necessário a remoção dos outros elementos. O presente trabalho tem por finalidade, estudar o processo de purificação do metano através de adsorção física utilizando um carvão ativado, obtido no processo de pirólise do lodo de esgoto, tratado com HCl e KOH, visando sua aplicabilidade, em reator de leito fixo. Inicialmente foram realizados experimentos de adsorção de sulfeto de hidrogênio (H2S), Amônia (NH3) e dióxido de carbono (CO2) comercial e por último, uma mistura de todos esses gases incluindo o CH4, simulando o biogás, oriundo do processo de fermentação de dejetos suínos. Neste trabalho foram realizados os tratamentos (ativação física e química) e as caracterizações (BET, DRX, FRX, MEV e FTIR) do carvão obtido do lodo de esgoto, sendo que, a ativação física foi realizada em 700ºC/2 horas/N2 e a química, variando a natureza da solução de ativação (KOH 3M e HCl 7,5M). O estudo dinâmico de adsorção em leito fixo ocorreu na temperatura de 25ºC, P=1 atm, vazão de alimentação da fase gasosa=50 mL/min e massa de adsorvente de 18,4g (para adsorção de gases individuais) e 6,0 g (mistura de gases), respectivamente. Os resultados mostraram que o tratamento químico do carvão influenciou significativamente na adsorção dos gases. Na adsorção do H2S e CO2, o melhor resultado foi para o carvão tratado com o HCl 7,5 M, o qual apresentou maior área superficial específica (248 m2 /g), maiores tempo de ruptura (400 min para H2S e 175,5 min para o CO2), saturação (1020 min para o H2S e 484,5 min para o CO2) e, maior capacidade de adsorção 670,33 mg de H2S/gads e 218.385 mg CO2/gads, respectivamente. Os carvões foram seletivos para o NH3, e não apresentaram nenhuma afinidade pelo CH4. Nas condições operatórias, o percentual de adsorção de H2S ficou em torno de 61,4 % e 75% para o CO2 utilizando o CAHCl como agente ativante. Para a mistura gasosa obteve-se um percentual de adsorção de 71,8% para o H2S e 55% para o CO2. O modelo dinâmico do processo de adsorção proposto foi satisfatório, através do qual foi estimada a difusividade axial no leito, a difusividade efetiva intrapartícula e o coeficiente externo de transferência de massa, para o H2S e CO2 individuais e em mistura envolvendo o NH3 e CH4.
Abstract: Biogas is a valuable source of renewable energy because it is composed mainly of methane (60-80%), carbon dioxide (20-40%), and traces of ammonia and hydrogen sulfide. The main application of biogas is the use of methane as fuel for electric motors and generators. In order to increase the calorific value of biogas to the same level as that of methane, the other gases have to be removed. One of the most common processes used to purify biogas is adsorption using activated carbons. The objective of this work was to the study the adsorption of carbon dioxide, ammonia, and hydrogen from a mixture with the same composition as that of the biogas from the fermentation of swine manure. The adsorbent used was the char from the pyrolysis of sewage sludge at 500 °C. The chars underwent physical ativation (at 700 °C, for 2 hours, under N2), chemical activation using HCl (7.5 M) or KOH (3.0 M), and were characterized for composition and textural properties via XRD, XRF, BET, and SEM. The experiments were carried out in a fixed-bed column (adsorber) at 25 °C and 1 atm. The gas flow rate was 50 mL/min, and the mass of char were 18.4 or 6.0 g. The results showed that the chemical activation significantly enhanced the adsorption. Regarding the adsorption of H2S and CO2, the best result was for the char treated with HCl. The char had high specific area (248 m2 /g), high breakthrough time (400 min for H2S, and 175.5 min for CO2), high saturation time (1020 min for H2S, and 484.5 for CO2), and high adsorption capacities (670,33 mg H2S/gads e 218.385 mg H2S/gads). The chars were selective for NH3 and had no affinity for CH4. The percentages of adsorption were 61,4% for H2S and 75% for CO2 using CAHCl. For the gas mixture, the percentages of adsorption were 71,8% for H2S and 55% for CO2. The dynamic adsorption was modeled by a system of differential equations describing mass balances for gas and particle phases. The equations were solved numerically against experimental data (molar fraction) in order to obtain estimates for parameters such as axial diffusivity, effective intraparticle diffusivity, and external mass transfer coefficient for H2S and CO2 as well as others present in the mixture involving NH3 and CH4.
URI: https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/26511
Appears in Collections:PPGEQ - Doutorado em Engenharia Química

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