Atualização de metano no biogás por hidrogenação de CO2 em um protótipo de reator com operação de dupla passagem sobre Ni otimizado

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9342 (2023) Citar este artigo

Detalhes das métricas

A atualização de metano em biogás por hidrogenação de CO2 tem sido atualmente reconhecida como uma rota promissora para a utilização completa e eficiente de biogás renovável com benefícios potenciais para o armazenamento de energia renovável de hidrogênio e redução da emissão de gases de efeito estufa. Como constituinte principal do biogás, o CO2 pode atuar como uma espinha dorsal para a formação de CH4 adicional por hidrogenação, produzindo então maiores quantidades de biometano. Neste trabalho, o processo de atualização foi investigado em um reator protótipo de operação de dupla passagem com alinhamento vertical usando um catalisador Ni-Ce/Al-MCM-41 otimizado. Os resultados experimentais mostram que a operação de passagem dupla que remove o vapor de água durante a execução pode aumentar significativamente a conversão de CO2, resultando em maior rendimento de produção de CH4. Como resultado, a pureza do biometano aumentou 15% em relação a uma operação de passagem única. Além disso, a busca pela condição ótima do processo foi realizada dentro de uma faixa investigada de condições, incluindo vazão (77–1108 ml min–1), pressão (1 atm–20 bar) e temperatura (200–500 °C). O teste de durabilidade de 458 h foi realizado usando a condição ótima obtida e mostra que o catalisador otimizado pode apresentar excelente estabilidade com influência desprezível pela mudança observada nas propriedades do catalisador. A caracterização abrangente das propriedades físico-químicas dos catalisadores frescos e usados ​​foi realizada e os resultados foram discutidos.

Atualmente, recursos de energia renovável, como energia solar, eólica, geotérmica, hidrelétrica, biomassa sólida, biocombustíveis líquidos e biogás, têm sido amplamente reconhecidos como potenciais candidatos para substituir recursos energéticos de base fóssil. Entre esses candidatos, o biogás é considerado recentemente uma energia renovável emergente que pode ser produzida em grande parte por um processo convencional de digestão anaeróbica de materiais orgânicos, como resíduos agrícolas, esterco animal, lodo de águas residuais e fração orgânica de resíduos sólidos urbanos (RSU), incluindo industriais desperdiça. A produção global de biogás na Europa, China e EUA responde por 90%, enquanto cerca de metade do restante é proveniente da Ásia, como Tailândia e Índia1. Na Tailândia, o biogás é produzido em fábricas de amido, indústrias de biocombustíveis e fazendas de gado1. Durante 2019–2023, a Índia planejou lançar 5.000 novas usinas de gás biometano comprimido (CBG)1. Embora o consumo atual de biogás seja uma pequena parcela, existe um alto potencial para transformar o sistema energético geral de acordo com a agência internacional de energia (IEA)1. Além disso, a Associação Mundial de Biogás (2019) informou que a utilização de biogás poderia reduzir cerca de 10 a 13% das emissões atuais de gases de efeito estufa (GEE) do mundo2. Em 2018, quase 60% do biogás foi utilizado para geração de eletricidade e fornecimento de calor. No entanto, a atualização do metano no biogás em biometano pode ser um importante caminho tecnológico do crescimento global1. O biogás contém principalmente 50–70%v/v de metano (CH4), 30–50%v/v de dióxido de carbono (CO2) e impurezas como nitrogênio (N2), oxigênio (O2), sulfeto de hidrogênio (H2S), e umidade3. Existem várias tecnologias existentes para atualização para produzir biometano por separação de CO2, como lavagem de água, adsorção por oscilação de pressão e tratamento químico3. Por esses métodos tradicionais, o CO2 é descartado e apenas o biometano é fornecido às redes de gás4. Em geral, os processos de separação são caros, pois são necessárias alta pressão ou produtos químicos adicionais3. Recentemente, foi reconhecido que a hidrogenação do CO2 no biogás para produzir biometano seria uma forma promissora de utilização total do biogás com benefícios para o armazenamento de energia renovável e redução da emissão de CO2. Várias plantas comerciais que produzem biometano para substituir o gás natural estão atualmente localizadas na Dinamarca, Suécia, Alemanha e Holanda4.