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Título: Biocarvões e hidrocarvões impregnados com ferro para remoção de sulfeto de hidrogênio no refino do biogás
Título(s) alternativo(s): Iron-impregnated biochars and hidrochars for the hydrogen sulfide removal in the biogas refining
Autor(es): Montaño, Mayerlin Edith Acuña
Orientador(es): Bail, Alesandro
Palavras-chave: Carbono ativado
Carbonização
Biogás
Dessulfuração
Sulfeto de hidrogênio
Carbon, Activated
Carbonization
Biogas
Desulphuration
Hydrogen sulphide
Data do documento: 1-Set-2023
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Londrina
Citação: MONTAÑO, Mayerlin Edith Acuña. Biocarvões e hidrocarvões impregnados com ferro para remoção de sulfeto de hidrogênio no refino do biogás. 2023. Dissertação (Mestrado em Engenharia Ambiental) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Londrina, 2023.
Resumo: O biogás é uma promissora fonte de energia renovável. No entanto, seu aproveitamento encontra-se condicionado pela presença de contaminantes altamente tóxicos para o meio ambiente e à saúde, além de incrementar os custos de manutenção. O sulfeto de hidrogênio (H2S) é o contaminante mais perigoso, tóxico e corrosivo presente no biogás e, portanto, sua remoção segura e eficiente é fundamental para qualquer aplicação energética. O objetivo deste estudo é avaliar dois biossorventes na dessulfurização do biogás sintético: Carvão ativado comercial (biocarvão) submetido a tratamento térmico na presença de espécies de ferro(III), e hidrocarvão produzido a partir da combustão hidrotérmica de lodo de esgoto e uma fonte residual contendo ferro e zinco. Esta pesquisa envolveu quatro etapas: (i) preparação dos biossorventes, (ii) impregnação úmida, (iii) caracterização dos biossorventes e (iv) avaliação da eficiência de remoção. Os testes de dessulfurização foram realizados em um sistema estático (batelada), proporcionando uma abordagem econômica e eficaz para simular as condições de operação real. A adsorção de H2S foi monitorada ao longo do tempo utilizando cromatografia a gás com detector de condutividade térmica (CG/TCD). Com relação aos resultados dos materiais, os biocarvões tratados termicamente na ausência de ferro (C100 e C300) apresentaram as capacidades mais baixas de adsorção de H2S de 31,2 e 49,2 mgH2S g-1, respectivamente. No entanto, os materiais impregnados com ferro (C300Fe, C500Fe e C700Fe) demonstraram capacidades de dessulfurização mais eficazes de 86,4, 78,9 e 78,3 mgH2S g-1, respectivamente. Assim, o material C300Fe se destacou como o mais viável tecnicamente, alcançando remoção de H2S aproximadamente 74% maior em comparação ao material não modificado (C100), mostrou ainda capacidade para reciclagem, tendo desativação dos sítios de 20 a 30% após três ciclos. A alta concentração de espécies de ferro em sua superfície parece ter compensado a perda de área específica. Os modelos cinéticos de pseudo-primeira ordem, pseudo-segunda ordem e Bangham foram utilizados para avaliar a adsorção. O modelo de pseudo- primeira ordem foi o mais adequado para descrever o processo, sugerindo que a adsorção foi regida preferencialmente pela fisissorção. Já com relação aos hidrocarvões, atingiram capacidades de adsorção na faixa de 40,0 a 61,8 mgH2S g-1 e comparativamente aos resultados obtidos com carvão ativado comercial, esses foram resultados expressivos, uma vez que o carvão ativado comercial alcançou 31,2 mgH2S g-1. Os dados obtidos se ajustaram ao modelo de pseudo-segunda ordem, indicando um processo de quimissorção. Ambos os materiais mostraram resultados promissores para contribuir com inovações nos setores de bioenergia e valorização de resíduos urbanos.
Abstract: Biogas is a promising source of renewable energy. However, its use is conditioned by the presence of contaminants that are highly toxic to the environment and health, as well as increasing maintenance costs. Hydrogen sulphide (H2S) is the most dangerous, toxic and corrosive contaminant present in biogas and therefore its safe and efficient removal is essential for any energy application. The aim of this study is to evaluate two biosorbents in the desulphurization of synthetic biogas: commercial activated carbon (biochar) subjected to heat treatment in the presence of iron(III) species, and hydrocarbon produced from the hydrothermal combustion of sewage sludge and a residual source containing iron and zinc. This research involved four stages: (i) preparation of the biosorbents, (ii) wet impregnation, (iii) characterization of the biosorbents and (iv) evaluation of the removal efficiency. The desulphurization tests were carried out in a static system (batch), providing an economical and effective approach to simulate real operating conditions. H2Sadsorption was monitored over time using gas chromatography with thermal conductivity detector (GC/TCD). With regard to the results of the materials, the biochar heat-treated in the absence of iron (C100 and C300) showed the lowest H2S adsorption capacities of 31.2 and 49.2 mgH2S g-1, respectively. However, the iron-impregnated materials (C300Fe, C500Fe and C700Fe) showed more effective desulphurization capacities of 86.4, 78.9 and 78.3 mgH2S g-1, respectively. Thus, the C300Fe material stood out as the most technically viable, achieving approximately 74% higher H2S removal compared to the unmodified material (C100), and showed recycling capacity, with deactivation of the sites of 20 to 30% after three cycles. The high concentration of iron species on its surface seems to have compensated for the loss of specific area. The pseudo-first order, pseudo-second order and Bangham kinetic models were used to evaluate adsorption. The pseudo-first order model was the most suitable for describing the process, suggesting that adsorption was preferentially governed by physisorption. As for the hydrocarbons, they reached adsorption capacities in the range of 40.0 to 61.8 mgH2S g-1 and compared to the results obtained with commercial activated carbon, these were significant results, since commercial activated carbon reached 31.2 mgH2S g-1. The data obtained fitted the pseudo-second order model, indicating a chemisorption process. Both materials showed promising results for contributing to innovations in the bioenergy and wastewater utilization sectors.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/32855
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