PL249689B1 - Sposób integracji termochemicznej konwersji biomasy z odsalaniem wody - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób integracji termochemicznej konwersji biomasy z odsalaniem wody, który polega na tym, że biowęgiel jako produkt termochemicznej konwersji biomasy w postaci elektrody przepływowej kierowany jest do instalacji oczyszczania wody, gdzie w wyniku zjawiska elektrosorpcji jony obecne w zasolonej wodzie adsorbowane są na powierzchni biowęgla, po czym po odseparowaniu cząsteczek biowęgla od uzdatnianej wody otrzymuje się czystą wodę i materiał węglowy zawierający odseparowane jony, który zawracany jest do reaktora zgazowania, gdzie zachodzi proces termochemicznej konwersji biomasy.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób integracji termochemicznej konwersji biomasy z odsalaniem wody przeznaczony do równoczesnej produkcji energii elektrycznej, ciepła i wody słodkiej, mający zastosowanie w inżynierii środowiska i energetyce.

Biomasa jest materiałem o rosnącym potencjale, ponieważ na równi z wykorzystaniem do produkcji energii odnawialnej nadaje się ona również do syntezy odczynników chemicznych oraz porowatych materiałów węglowych, mogących zastąpić sorbenty, filtry oraz katalizator y do tej pory produkowane w oparciu o paliwa kopalne, takie jak węgiel czy związki ropopochodne. Przemiana biomasy w biowęgiel zachodzi w warunkach podwyższonej temperatury, które skutkują odgazowaniem związków lotnych oraz rozpadem materii organicznej. Proces ten może być prowadzony zarówno w atmosferze inertnej (piroliza) jak i w obecności podstechiometrycznej ilości utleniacza (zgazowanie). W drugim z wymienionych wariantów, oprócz stałej pozostałości węglowej powstaje wysokokaloryczny gaz, który wykorzystywany jest do produkcji energii elektrycznej i ciepła. Przy zachowaniu odpowiednich warunków procesu, stała pozostałość (biowęgiel) może posiadać silnie rozwiniętą powierzchnię właściwą (>1000 m²/g) na którą składają się głównie mikropory (<2 nm). Przykładem technologii, w której formujący się biowęgiel osiąga parametry zbliżone do komercyjnych węgli aktywowanych jest instalacja dwustopniowego zgazowania (reaktor Viking) opracowana przez zespół badawczy z duńskiego uniwersytetu DTU (Ravenni et al., Fuel Processing Technology, 210 (2020) 106546).

Zjawisko elektrosorpcji wykorzystuje się m.in. w procesie dejonizacji pojemnościowej polega na wydzielaniu z roztworu jonów i naładowanych cząstek przy pomocy pola elektrycznego oraz ośrodka sorpcyjnego, rolę którego najczęściej odgrywa porowaty materiał węglowy. Elektrody węglowe powinny charakteryzować się dobrze rozwiniętą, mikroporowatą powierzchnią. Obecnie, najczęściej wykorzystywane są do tego celu dedykowane materiały takie jak nanorurki węglowe, komercyjne węgle aktywowane lub aerożele węglowe. Z uwagi na relatywnie krótką żywotność i wysokie koszty produkcji, eksploatacja syntetycznych elektrod węglowych znacząco wpływa na ekonomię procesu odsalania.

Oprócz klasycznych rozwiązań wykorzystujących elektrody stałe, dynamicznie rozwijana jest również technologia elektrod przepływowych, w której proces elektrosorpcji zachodzi na cząsteczkach zawiesiny materiału węglowego, przepływającej przez celę elektrolityczną.

W dotychczasowych rozwiązaniach zużyte elektrody poddawane są regeneracji, polegającej na desorpcji usuniętych jonów i powstawaniu odpadowej solanki. W niniejszym rozwiązaniu zawiesina biowęgla nasyconego jonami jest odseparowana z roztworu elektrody i zawracana do reaktora zgazowania, nie powodując powstawania odpadu.

Zagadnieniem technicznym wymagającym rozwiązania jest opracowanie nowego sposobu, który pozwalałby na synergiczne połączenie zgazowania biomasy z odsalaniem wody, skutkujące poprawą sprawności procesu zgazowania oraz obniżeniem kosztów i ilości generowanych odpadów w procesie odsalania.

Cel ten osiągnięto poprzez wykorzystanie biowęgla, tworzącego się podczas zgazowania biomasy, jako elektrody przepływowej wykorzystywanej do elektrosorpcji jonów z odsalanej wody, skutkujące jednoczesnym usunięciem zanieczyszczenia z roztworu wodnego i naniesieniem na podłoże węglowe pierwiastków posiadających właściwości katalityczne. Sposób integracji termochemicznej konwersji biomasy z odsalaniem wody polega na tym, że biowęgiel jako produkt termochemicznej konwersji biomasy w postaci elektrody przepływowej kierowany jest do instalacji oczyszczania wody, gdzie, w wyniku zjawiska elektrosorpcji, jony obecne w zasolonej wodzie adsorbowane są na powierzchni biowęgla, po czym po odseparowaniu cząsteczek biowęgla od uzdatnianej wody, otrzymuje się czystą wodę i materiał węglowy zawierający odseparowane jony, który zawracany jest do reaktora zgazowania, gdzie zachodzi proces termochemicznej konwersji biomasy.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania przedstawiono na rysunku, który przedstawia schemat sposobu integracji termochemicznej konwersji biomasy z odsalaniem wody.

Sposób integracji termochemicznej konwersji biomasy z odsalaniem wody polega na prowadzeniu pojemnościowej dejonizacji wody przy użyciu elektrod przepływowych wykonanych z biowęgla (1) powstającego podczas zgazowania biomasy w reaktorze (2), jako elektrody przepływowej w reaktorze (3) do dejonizacji pojemnościowej wody słonej.

W pierwszym etapie, podczas termochemicznej konwersji w reaktorze zgazowania (2) powstaje stała pozostałość węglowa, która ulega interakcjom z produktami gazowymi oraz czynnikiem zgazowuPL 249689 B1 jącym, korzystnie powietrzem lub parą wodną w wyniku czego powstaje mikroporowaty materiał węglowy (1) o silnie rozwiniętej powierzchni właściwej. Biowęgiel (1) odbierany z reaktora zgazowania (2) kierowany jest do przygotowania elektrody przepływowej, która wprowadzana jest do reaktora (3) do dejonizacji pojemnościowej wody słonej. Pod wpływem różnicy potencjałów elektrycznych, w wyniku zjawiska elektrosorpcji, na przepływowej katodzie i anodzie adsorbowane są, odpowiednio, kationy (między innymi sodowe) i aniony (między innymi chlorkowe). Po odseparowaniu cząstek biowęgla od uzdatnionej wody otrzymuje się czystą wodę (4) i materiał węglowy (5), który zawracany jest do reaktora zgazowania (2), gdzie zaadsorbowane jony Na⁺ katalizują reakcję przemiany termochemicznej, zwiększając reaktywność wsadu reaktora i zwiększając selektywność reakcji w kierunku powstawania wodoru.

Sposób według wynalazku poprawia efektywność procesu zgazowania za sprawą sodu zaadsorbowanego na biowęglu. Metal ten posiada udokumentowane właściwości katalityczne (Huang et al., Biotechnology Advances 27 (2009) 568-572), które, podczas utleniania materiałów węglowych zwiększają szybkość a także selektywności tej reakcji w kierunku powstawania wodoru - najbardziej pożądanego składnika gazu procesowego. Biowęgiel jako półprodukt zgazowania, jest materiałem tanim i łatwo dostępnym, zatem wykorzystanie go do przygotowania elektrody przepływowej pozwala na pominięcie procesu regeneracji elektrod, polegającego na desorpcji usuniętych jonów i powstawaniu odpadowej solanki. Przy zastosowaniu regeneracji, żywotność elektrod jest ograniczona z uwagi na zatrucie zanieczyszczaniami i degradację mechaniczną cząsteczek zawiesiny, skutkując koniecznością utylizacji elektrody po określonej ilości cykli pracy. Wykorzystanie biowęgla, zawracanego do reaktora zgazowania, pozwala na uniknięcie powstawania odpadów z procesu odsalania wody, nie zwiększając ilości zanieczyszczeń generowanych podczas konwersji biomasy.

Opłacalność wykorzystania biowęgla ze zgazowania jako elektrody przepływowej umotywowana jest malejącymi zasobami wody słodkiej oraz koniecznością zastąpienia kopalnych źródeł węgla paliwami odnawialnymi. Z uwagi na ograniczoną żywotność elektrod, łącząca się z koniecznością ich ostatecznej utylizacji, wykorzystanie do ich produkcji węgla lub produktów rafinacji ropy naftowej, np. koksu naftowego, nieodzownie związana jest z emisją dwutlenku węgla, podczas gdy wykorzystanie do tego celu pochodnych biomasy nie skutkuje zwiększeniem ilości CO2 cyrkulującego w biosferze. Metody wykorzystywane do tworzenia syntetycznych materiałów o zadanym rozkładzie porów i zdefiniowanej strukturze chemicznej powierzchni są czasochłonne i nieekonomiczne. Powstawanie biowęgla, półproduktu procesu zgazowania biomasy, nie powoduje zwiększenia emisji gazów cieplarnianych, a ponadto, przy odpowiednim prowadzeniu procesu, pozwala na zapewnienie ciągłego dostępu do taniego materiału o relatywnie stabilnych parametrach, wystarczających do prowadzenia na nim procesu elektrosorpcji. Odsalanie wody w procesie dejonizacji pojemnościowej z wykorzystaniem biowęgla ze zgazowania biomasy pozwoli na obniżenie kosztów uzdatniania wody, z uwagi na zastosowanie taniego i łatwo dostępnego materiału do wykonania elektrod przepływowych, ponadto, umożliwia uniezależnienie procesu od nieodnawialnych źródeł węgla, co przyczynia się do ograniczenia zmian klimatycznych. Wykorzystanie biowęgla w procesie elektrosorpcji nie powoduje utraty przydatności elektrody, która w dotychczasowych sposobach prowadzenia procesu, pomimo stosowania regeneracji z czasem ulega zużyciu i generuje odpad wymagający utylizacji. W przeciwieństwie do klasycznych materiałów syntetyzowanych na potrzeby procesu dejonizacji, elektroda wykonana z biowęgla, po wykorzystaniu jej do oczyszczania wody, stanowi wartościowy materiał, który współzgazowywany z biomasą ma potencjał do przyspieszenia jej konwersji oraz zwiększenia udziału wodoru w otrzymywanym gazie procesowym, a także dzięki katalitycznym właściwościom jonów metali alkalicznych (sodu) zaadsorbowanych na cząsteczkach biowęgla.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Sposób integracji termochemicznej konwersji biomasy z odsalaniem wody, znamienny tym, że biowęgiel (1) jako produkt termochemicznej konwersji biomasy w postaci elektrody przepływowej kierowany jest do instalacji oczyszczania wody, gdzie, w wyniku zjawiska elektrosorpcji, jony obecne w zasolonej wodzie adsorbowane są na powierzchni biowęgla (1), po czym po odseparowaniu cząsteczek biowęgla od uzdatnianej wody, otrzymuje się czystą wodę (4) i materiał węglowy (5) zawierający odseparowane jony, który zawracany jest do reaktora zgazowania (2), gdzie zachodzi proces termochemicznej konwersji biomasy.