Biologisk omvandling av väte-metan avser produktion av metan genom inverkan av mikroorganismer med hjälp av väte som genereras genom elektrolys av vatten med kvarvarande kraft och koldioxid som finns i biogas. Detta tillvägagångssätt lovar att övervinna begränsningarna av vätelagring, minska den ekonomiska bördan av biogasuppgradering och möjliggöra kolnegativt utnyttjande av CO2 i biogas.
Tidigare har forskare från Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology vid den kinesiska vetenskapsakademin domesticerat och erhållit mikroorganismer med hög väte-metanomvandlingseffektivitet. De har också utvecklat två produktionsprocesser för biologisk väte-metan-omvandling in situ och ex-situ. Den huvudsakliga faktorn som begränsar effektiviteten av väte-metan-omvandlingen är dock fortfarande den låga gas-vätske-massöverföringshastigheten för väte.
För att ta itu med begränsningarna av låga vätemassöverföringshastigheter i väte-metanomvandlingsprocessen, utvecklade forskarna ett biotrickling-filter (BTF), som underlättar mikroorganismernas tillväxt genom att använda packningsmaterial med en grov inre yta. Det säkerställer full kontakt mellan gas- och vätskefasen, vilket ökar effektiviteten i vätgasutnyttjandet.
Studien är bland annat publicerad i Chemical Engineering Journal .
I denna studie började forskarna med att undersöka effekterna av temperaturer (25°C, 37°C och 55°C) på omvandlingsvägen för väte-metan för att bestämma den optimala temperaturen för biotrickling-filtren. Under driften av biotrickling-filtret, effekterna av packningsmaterialen (keramit, vulkansten, aktivt kol) och det optimala förhållandet mellan ingående gas (H2 /CO2 , v/v) på konverteringsprocessen utvärderades.
Enligt forskarna var de utvalda förpackningsmaterialen miljövänliga, och deras stora specifika yta och porositet underlättade tillväxt och vidhäftning av mikroorganismer. Detta säkerställer tillräcklig kontakt mellan mikroorganismerna och gasfasen, vilket avsevärt förbättrar gas-vätskemassöverföringen.
Resultaten visade att högre temperatur bidrar till omvandling av väte-metan. Vid 25°C var omvandlingseffektiviteten för väte-metan låg (2,5 L/Lw·d), och det mesta av vätet och koldioxiden användes för att framställa acetat.
Vid 55°C, även om reaktionsprocessen initialt var instabil, nådde den slutligen stabilitet och erhöll en väte-metanomvandlingseffektivitet på 8,3 L/Lw·d. Däremot var omvandlingseffektiviteten fortfarande betydande vid 37°C, vilket uppnådde 7,1 L/Lw·d. Noterbart var det ingen signifikant skillnad i den totala metanogenesprocessen mellan 37°C och 55°C.
Dessutom den optimala ingångsgasen (H2 /CO2 ) förhållandet bestämdes i BTF-experimentet, vilket uppnådde det mest tillfredsställande förhållandet vid 2,5:1 (H2 /CO2 , v/v), vilket var lägre än tidigare rapporterade värden, men högre koldioxidavlägsnande effektivitet uppnåddes.
Biofilmerna som fäster vid de tre förpackningsmaterialen uppnådde alla effektiv väte-metan-omvandlingseffektivitet i förhållandet 2,5:1, där BTF använde aktivt kol som förpackningsmaterial uppnådde den högsta och mest stabila omvandlingseffektiviteten (91,9%).
Den relativa fluorescensintensitetsmätningen bekräftade att aktivt kol hade överlägsen mikrobiell immobilisering. Denna studie ger ett lovande tillvägagångssätt för tillämpningen av BTF:er i biogasväte-metanomvandling.
Mer information: Jie-Hua Huang et al, Biogas upgrading by biotrickling filter:Effects of temperature and packing materials, Chemical Engineering Journal (2023). DOI:10.1016/j.cej.2023.148367
Journalinformation: Chemical Engineering Journal
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
