SYNTHETIC ZEOLITES. BIOGAS PURIFICATION FROM BALLAST CONTAMINATS

Турчанович И.Е.¹, Турчанович Н.Н.²

^1,2 Магистр, Дальневосточный Федеральный Университет

СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЦЕОЛИТЫ. ОЧИСТКА БИОГАЗА ОТ БАЛЛАСТНЫХ ПРИМЕСЕЙ

Аннотация

В статье ставится задача – рассмотреть типы цеолитов с разной адсорбционной ёмкостью при известных параметрах биогаза, с целью подбора и использования их в качестве фильтров.

Ключевые слова: цеолит, синтетические цеолит, адсорбция, адсорбер, биогаз, балластные газы, адсорбционная ёмкость

Turchanovich I.E.¹, Turchanovich N.N.²

^1,2 Master, Far Eastern Federal University

SYNTHETIC ZEOLITES. BIOGAS PURIFICATION FROM BALLAST CONTAMINATS

Аbstract

The article raises the problem – consider the types of zeolites with different adsorption capacity under certain parameters of biogas, in order to select and use them as filters.

Keywords: zeolite, synthetic zeolite, adsorption, adsorber, biogas, ballast gases, adsorption capacity

 

Введение

Цеолиты – большая группа близких по составу и свойствам минералов, водные алюмосиликаты кальция и натрия из подкласса каркасных силикатов, со стеклянным или перламутровым блеском. Их главное отличие в том, что они поглощают и выделяют не только воду, но и другие различные молекулы без изменения кристаллической структуры. Поглощение цеолитами молекул связано с явлением адсорбции – концентрированием вещества из газовой фазы на поверхности твердого тела (адсорбента) или в объёме, образуемых его структурой пор.

Использование природных цеолитов было ограниченно ввиду малой адсорбционной способности, они применялись для газов и жидкостей с примесями небольшого размера молекул, поэтому их использовали только для уменьшения жесткости воды. Ситуация изменилась, когда в 50-х годах в лаборатории Р. Баррера были получены первые синтетические цеолиты. Исследования показали, что искусственно синтезированные цеолиты в качестве адсорберов имеют уникальные свойства, так как способны поглощать все компоненты сложных смесей. Также, они способны очищать вещества даже от незначительного количества нежелательных примесей, что очень важно для некоторых видов промышленности.

Основная часть

Одно из направлений использования цеолитов – очистка биогаза от балластных газов. Биогаз получают путем брожения биомассы (сельскохозяйственные отходы, твёрдобытовые отходы, отходы канализационных стоков) при температуре 25 – 40˚С, газ выходит в водонасыщенном состоянии. Исходя из этого процесса биогаз насыщен водяным паром и содержит помимо метана (CH₄) двуокись углерода (СО₂) и существенное количество сероводорода (Н₂S). Очищение от балластных газов повышает теплотворную способность биогаза, предотвращает коррозию трубопроводов и оборудования системы газоснабжения.

Зная химический состав и количество выделяемого биогаза, а также процентное содержание каждого компонента, можно подобрать тип и объём цеолита.

Подбор типа цеолита ведётся при помощи графиков составленных по таблицам[14 см. таб.8.1-8.11]. Адсорбер выбирается исходя из температуры биогаза и адсорбционной способности цеолита при определённом давлении, а также с учетом того, чтобы вместе с балластом не удалялся метан или его потери были минимальны. Знание диаметров молекул позволяет уточнять исключающие моменты работы адсорберов.

Таблица 1 – Газокинетические диаметры молекул[10]

Были рассмотрены такие типы цеолитов как NaA, NaX, CaA. Согласно источнику [14], синтетические цеолиты адсорбируют необходимые вредности. На территории России есть крупные поставщики цеолитов такие как: ООО «Цеолит-Трейд», АкваХим, OOO «СкатЗ».

По графикам, изображённым на рисунках 1-3 можно сделать вывод, что при температуре 25˚С адсорбционная ёмкость рассмотренных цеолитов больше, следовательно фильтр в большём количестве улавливает балластные газы.

Рис. 1 – График, иллюстрирующий способность цеолита NaA адсорбировать пары воды при различных давлениях и температурах

Рис 2. – График, иллюстрирующий способность цеолита СaA адсорбировать пары воды при различных давлениях и температурах

Рис. 3 – График, иллюстрирующий способность цеолита NaХ адсорбировать пары воды при различных давлениях и температурах

Рис 4. – График, иллюстрирующий способность цеолитов NaA, CaA и NaХ адсорбировать пары воды при различных давлениях и температурах

По графику, изображённому на рисунке 4 видно, что для очистки от паров воды предпочтителен цеолит NaX. Однако необходимо проверить способности цеолита улавливать молекулы метана. Что показывает график, изображенный на рисунке 5.

Рис 5. – График, иллюстрирующий способность цеолитов NaA, CaA и NaХ адсорбировать метан при различных давлениях и температурах

Так как способность адсорбировать метан у цеолита NaX наибольшая, из рассмотренных типов цеолита при повышении температуры, в дальнейшем исследовании нет смысла рассматривать данный тип цеолита, что упрощает их подбор для адсорбции паров воды, сероводорода и углекислого газ.

Так же необходимо знать, что цеолит NaA при температуре свыше 27˚С (температура входящая в диапазон, при котором газ выходит из биореактора) не адсорбирует молекулы больше 4Å. Эти данные показывают предпочтение в выборе цеолита NaA.

В качестве цеолита для адсорбции паров воды выбран тип NaA.

Рис 6. – График, иллюстрирующий способность цеолита CaA адсорбировать сероводород при различных давлениях

Для сероводорода выбран цеолит CaA, так как цеолит NaА не задерживает данные молекулы. График зависимости адсорбционной ёмкости от давления изображён на рисунке 6.

Рис 7. – График, иллюстрирующий способность цеолитов NaA и CaA адсорбировать углекислый газ при различных давлениях

Цеолит СаА подобран для адсорбции от двуокиси углерода. Если применить цеолит NaA, то при 25˚С цеолит будет адсорбировать углекислый газ и метан, при повышении температуры цеолит не будет адсорбировать данные молекулы вовсе.

Для углекислого газа выбран цеолит CaA, в соответствии с графиками изображенными на рисунках 5 и 7.

Методика расчёта загрузки цеолита.

Месячная загрузка фильтрующего вещества i-го вредного компонента определяется по формуле:

  

Результаты:

Характеристики цеолита приняты с учётом известной температуры газа на выходе в пределе от 25 до 40˚С. Приняты оптимальные значения адсорбционной ёмкости с целью уменьшения затрат денежного капитала на дополнительное оборудование (теплообменники для отвода/подвода теплоты и устройства изменения давления).

Таблица 2 – Характеристики цеолита для очистки от балластных газов

Заключение

1. Данные характеристики цеолита помогут в дальнейшем исследовании устройства биогазовых установок и их компоновки.
2. Требуется дополнительное изучение влияния изменения температуры и давления газа на процесс очистки.
3. Необходимо выполнить расчёт технико-экономических показателей цеолитовых фильтров и сравнить стоимость данной системы с другими системами очистки.
4. Для более полного исследования очистки биогаза цеолитовыми фильтрами запроектирована научно-исследовательская установка.

Литература

1. ГОСТ 5542-87. Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Дата введения 01.01.88.
2. УДК 504.064.2.001.18. Рекомендации по расчету образования биогаза и выбору системы дегазации на полигонах захоронений твердых бытовых отходов / Государственный комитет Российской Федерации по строительству и жилищно-коммунальному комплекс Федеральный центр благоустройства и обращения с отходами – МОСКВА 2003.
3. Биогаз. Состав, расчет, производство биогаза. [Электронный ресурс] URS: http://www.eti.su/articles/over/over_404.html (дата обращения 10.10.2015).
4. Вершинина Н.Н., Турчанович И.Е. Биогаз. Перспективы использования, 2013.
5. В. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер. Биогаз теория и практика. – М.:Колос. 1982.
6. Веденев А.Г., Веденева Т.А., Биогазовые технологии в Кыргызской Республике, 2006. — 90с.
7. Барбара Эдер, Хайнц Шульц. 1996 г. Биогазовые установки. Практическое пособие. Перевод с немецкого выполнен компанией Zorg Biogas в 2008 г. 0-268 с.
8. Биогазовые установки для сельского хозяйства фирмы АО Центр «ЭКОРОС» [Электронный ресурс] URS: http://itk-energo.narod.ru/Predlogenie2.2.htm (дата обращения 12.10.2015).
9. Источник: http://zorgbiogas.ru. Биогазовые установки Кому выгодно строить биогазовую станцию?. [Электронный ресурс] URL: http://esco.co.ua/journal/2010_7/arthtm (дата обращения 12.10.2015).
10. Профессор Бекман И.Н. МЕМБРАНЫ В МЕДИЦИНЕ [Электронный ресурс] URL: http://profbeckman.narod.ru/MedMemb.files/medmemb5.pdf (дата обращения 13.10.2015)
11. Солнце, ветер, биогаз! Альтернативные источники энергии: экологичность и безопасность. Проблемы, перспективы, производители. 2005. — 174 с
12. Елисеева И.С. Становление и развитие производства синтетических цеолитов – 2003.
13. Вершинина Н.Н., Турчанович И.Е. Технология получения биогаза от переработки отходов фермерских, 2014.
14. Д. Брек Цеолитовые и молекулярные сита. / Перевод с английского выполнен А.Л. Клячко, И.В.Мишина, В.И.Якерсона –1976.
15. Цеолиты / OOO «СкатЗ», группа компаний ОАО «Газпром нефтехим Салават». [Электронный ресурс] Режим доступа: http://skatz.ru/uploads/static/6/zeolites.pdf (дата обращения 10.10.15).
16. Цеолиты [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D6%E5%EE%EB%E8%F2%FB (дата обращения 13.10.2015).
17. Garrison (Игорь), Yus (Александр) Цеолиты, их некоторые свойства и применение в аквариуме. [Электронный ресурс] URL: http://aquacontrol.narod.ru/zeolit/zeolite_1.htm (дата обращения 12.10.15).

References

1. GOST 5542-87. Combustible natural gases for industrial and household purpose Date 01.01.88
2. UDC 504.064.2.001.18. Guidelines for the calculation of biogas and the choice of gas drainage system in the landfill of municipal solid waste / State Committee of the Russian Federation on construction and housing and communal complex of the Federal Center of accomplishment and waste management- Moscow 2003.
3. The composition, calculation, production of biogas. [Electronic resource] URS: http://www.eti.su/articles/over/over_404.html (date of treatment 10.10.2015).
4. Vershinina N.N., Turchanovich I.E. Biogas. Prospects for the use, 2013.
5. Baader, Don E., M. Brennderfer. Biogas theory and practice. - Moscow: Kolos. 1982
6. Vedeneev A.G., Vedeneyeva T.A., Biogas Technology in the Kyrgyz Republic, 2006. - 90 p.
7. Eder, H. Schulz. 1996 Biogas plants. A Practical Guide. Transfer from German made by Zorg Biogas in 2008 with 0-268 p.
8. Biogas plants for agricultural company JSC Center "ECOROS" [Electronic resource] URS: http://itk-energo.narod.ru/Predlogenie2.2.htm (date of treatment 10.12.2015).
9. Source: http://zorgbiogas.ru. Biogas plants To build a profitable biogas plant? [Electronic resource] URL: http://esco.co.ua/journal/2010_7/art006.htm (date of treatment 10.12.2015).
10. Professor Beckman J.N. Membranes in medicine [Electronic resource] URL: http://profbeckman.narod.ru/MedMemb.files/medmemb5.pdf (date of treatment 10/13/2015)
11. Sun, wind, biogas! Alternative energy sources: environmental friendliness and safety. Problems, prospects, vendors. 2005 – 174p.
12. Eleseeva I. Formation and development of the production of synthetic zeolites - 2003.
13. Vershinina N.N., Turchanovich I.E Technology biogas from farm waste 2014.
14. Brek Zeolite molecular sieves. /Translated from the English executed AL Klyachko, I.V.Mishina, V.I.Yakersona -1976.
15. Zeolites / OOO «SkatZ", the group of companies of " Gazprom Salavat neftekhim." [Electronic resource] Access: http://skatz.ru/uploads/static/6/zeolites.pdf (date treatment 10/10/15).
16. Zeolites [electronic resource] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D6%E5%EE%EB%E8%F2%FB (date of treatment 10.13.2015).
17. Garrison (Igor), Yus (Alexander) Zeolites, some of their properties and applications in the aquarium. [Electronic resource] URL: http://aquacontrol.narod.ru/zeolit/zeolite_1.htm (date treatment 10/12/15).