Las granjas se enfrentan anualmente al problema de la eliminación del estiércol. Se desperdician fondos considerables, que son necesarios para organizar su traslado y entierro. Pero hay una manera que le permite no solo ahorrar su dinero, sino también hacer que este producto natural le sirva para su beneficio.
Los propietarios prudentes llevan mucho tiempo utilizando la ecotecnología en la práctica, lo que hace posible obtener biogás del estiércol y utilizar el resultado como combustible.
Por lo tanto, en nuestro material hablaremos sobre la tecnología para producir biogás, también hablaremos sobre cómo construir una planta de bioenergía.
Determinación del volumen requerido
El volumen del reactor se determina en función de la cantidad diaria de estiércol producido en la granja. También hay que tener en cuenta el tipo de materias primas, la temperatura y el tiempo de fermentación. Para que la instalación funcione completamente, el contenedor se llena al 85-90% del volumen, al menos el 10% debe quedar libre para que escape el gas.
El proceso de descomposición de la materia orgánica en una planta mesófila a una temperatura promedio de 35 grados tiene una duración de 12 días, luego de los cuales se retiran los residuos fermentados y se llena el reactor con una nueva porción de sustrato. Dado que los residuos se diluyen con agua hasta en un 90% antes de ser enviados al reactor, también se debe tener en cuenta la cantidad de líquido a la hora de determinar la carga diaria.
En base a los indicadores dados, el volumen del reactor será igual a la cantidad diaria de sustrato preparado (estiércol con agua) multiplicado por 12 (tiempo requerido para la descomposición de la biomasa) y aumentado por 10% (volumen libre del contenedor).
Construcción de una estructura subterránea.
Ahora hablemos de la instalación más simple, que le permite obtener al menor costo. Considere construir un sistema subterráneo. Para hacerlo, debe cavar un hoyo, su base y paredes se vierten con hormigón armado de arcilla expandida.
Desde lados opuestos de la cámara, se muestran aberturas de entrada y salida, donde se montan tuberías inclinadas para suministrar el sustrato y bombear la masa de desechos.
El tubo de salida con un diámetro de aproximadamente 7 cm debe ubicarse casi en el fondo del búnker, su otro extremo está montado en un contenedor de compensación rectangular al que se bombearán los desechos. La tubería para el suministro del sustrato se encuentra aproximadamente a 50 cm del fondo y tiene un diámetro de 25-35 cm. Parte superior Las tuberías ingresan al compartimiento para recibir materias primas.
El reactor debe estar completamente sellado. Para excluir la posibilidad de entrada de aire, el contenedor debe cubrirse con una capa de impermeabilización bituminosa.
La parte superior del bunker es un depósito de gas que tiene forma de cúpula o cono. Está hecho de láminas de metal o hierro para techos. También es posible completar la estructura con albañilería, que luego se tapiza con malla de acero y se enyesa. En la parte superior del tanque de gasolina, debe hacer una escotilla sellada, quitar la tubería de gas que pasa por el sello de agua e instalar una válvula para aliviar la presión del gas.
Para mezclar el sustrato, la unidad puede equiparse con un sistema de drenaje que funciona según el principio de burbujeo. Para hacer esto, sujete verticalmente los tubos de plástico dentro de la estructura de modo que su borde superior quede por encima de la capa de sustrato. Hazles muchos agujeros. El gas bajo presión bajará y, al subir, las burbujas de gas mezclarán la biomasa en el tanque.
Si no desea construir un búnker de hormigón, puede comprar un contenedor de PVC ya hecho. Para conservar el calor, debe cubrirse con una capa de aislamiento térmico: espuma de poliestireno. El fondo del pozo se rellena con hormigón armado con una capa de 10 cm Se pueden utilizar tanques de cloruro de polivinilo si el volumen del reactor no supera los 3 m3.
Conclusiones y video útil sobre el tema.
Cómo aprovechar al máximo la instalación más sencilla de un barril ordinario, lo descubrirá si mira el video:
El reactor más simple se puede hacer en unos pocos días con sus propias manos, utilizando las herramientas disponibles. Si la granja es grande, es mejor comprar una instalación prefabricada o contactar a especialistas.
Con el tiempo, las tecnologías "verdes" se están volviendo más populares. A principios de esta semana, LanzaTech anunció la producción de unos 15.000 litros de combustible de aviación. El mundo produce cada día mucho más combustible, pero este es especial, se obtuvo de las emisiones gaseosas de las empresas industriales chinas. El combustible fue entregado a Virgin Atlantic, la empresa de Richard Branson, y la aeronave que se llenó con este combustible ya realizó un vuelo exitoso.
Esta semana, la empresa suiza Climeworks, que utiliza dióxido de carbono atmosférico, anunció la creación de una planta en Italia que consumirá CO2 de la atmósfera y producirá hidrógeno. Este último se utilizará en el ciclo de producción de metano.
La planta ya está construida, se creó en julio, su puesta en marcha (hasta ahora en modo de prueba) se produjo la semana pasada. Está claro que este tipo de empresa no es un placer barato, y no sería fácil para una startup encontrar fondos para la implementación de un proyecto de este tipo. La Unión Europea encontró el dinero y financió el proyecto.
Esta es la tercera planta de la empresa involucrada en el procesamiento de dióxido de carbono. El primer emprendimiento no era muy grande, más bien se trataba de crear una pequeña instalación que capturaba el CO2 de la atmósfera y lo liberaba en invernaderos, donde las plantas se desarrollaban más rápido por el aumento de la concentración de dióxido de carbono. La segunda planta se construye en Islandia, donde convierte el CO2 de un estado gaseoso a uno ligado. El gas se "inyecta" literalmente en la litosfera de las regiones volcánicas activas (de hecho, toda Islandia es una región de este tipo), donde se une químicamente con el basalto.
La segunda opción para la utilización de dióxido de carbono es bastante difícil de implementar técnicamente, por lo que la implementación del proyecto fue algo problemática. No obstante, la dirección de la empresa afirmó que las instalaciones llevaban mucho tiempo funcionando sin averías, no se notó “ni una sola rotura” durante un tiempo suficientemente largo. Cabe señalar que el diseño de la segunda planta es modular, se puede ampliar aumentando así la productividad de la planta.
En cuanto a la tercera opción de una empresa industrial, no funcionará las 24 horas, sino solo 8 horas al día. Su tarea es demostrar la posibilidad de producir combustible "de la nada". Está claro que el combustible, cuando se quema, liberará productos de reacción, incluido el dióxido de carbono. Pero la planta capturará CO2 una y otra vez, por lo que se llevará a cabo el "ciclo de dióxido de carbono hecho por el hombre". Si se aumenta la producción, el consumo de CO2 y la generación de combustible para aeronaves también aumentarán en volumen.
Hasta ahora, la instalación de la planta incluye tres colectores de aire que, según los líderes del proyecto, son muy eficientes energéticamente, más que las versiones anteriores. En un año, la planta, con el volumen de trabajo actual, puede recolectar unas 150 toneladas de dióxido de carbono. La instalación de la planta permite la producción de unos 240 metros cúbicos de hidrógeno por hora, utilizando energía generada por paneles solares.
Combustible de aviación hecho de dióxido de carbono
Además, el hidrógeno se une al CO2 (también se aísla del aire atmosférico) usando catalizadores. El reactor que realiza esta operación fue desarrollado por la empresa francesa Atmostat. El metano se purifica y se utiliza para necesidades industriales. Luego se convierte en un líquido bajo presión y se utiliza con fines industriales.
A pesar de que la planta ya está en operación, no es económicamente eficiente. Lamentablemente, el camino hacia la rentabilidad es muy largo. Como se mencionó anteriormente, la producción puede "eliminar" solo alrededor de 150 toneladas de dióxido de carbono por año. Y el volumen anual de emisiones de esta sustancia a la atmósfera es de 30-40 gigatoneladas, y esta cifra aumenta cada día.
Sea como fuere, la producción sigue funcionando y los inversores están claramente interesados en esta tecnología: la compañía cerró recientemente otra ronda y recibió alrededor de $ 30,8 millones.
Climeworks es una empresa que se dedica a proyectos similares, el número de nuevas empresas de este tipo está aumentando gradualmente, lo que da la esperanza de que, al final, las empresas seguirán alcanzando volúmenes mucho más altos de consumo de dióxido de carbono.
El ácido fórmico, cuya fórmula es HCOOH, es el ácido monocarboxílico más simple. Como se desprende de su nombre, las secreciones características de las hormigas rojas se convirtieron en la fuente de su descubrimiento. El ácido en cuestión es parte de la sustancia venenosa secretada por las hormigas que pican. También contiene un líquido ardiente, que se forma por las orugas urticantes del gusano de seda.
Por primera vez, se obtuvo una solución de ácido fórmico durante los experimentos del famoso científico inglés John Ray. A fines del siglo XVII, mezcló agua y hormigas rojas de madera en un recipiente. A continuación, el recipiente se calentaba a ebullición y se pasaba a través de él un chorro de vapor caliente. El resultado del experimento fue obtener una solución acuosa, cuya característica distintiva era una reacción fuertemente ácida.
A mediados del siglo XVIII, Andreas Sigismund Marggraf logró obtener ácido fórmico puro. El ácido anhidro, que fue obtenido por el químico alemán Justus Liebig, se considera el ácido carboxílico más simple y más fuerte al mismo tiempo. Según la nomenclatura moderna, se llama ácido metanoico y es un compuesto extremadamente peligroso.
Hasta la fecha, la obtención del ácido presentado se lleva a cabo de varias formas, incluidas varias etapas sucesivas. Pero se ha demostrado que el hidrógeno y el dióxido de carbono se pueden convertir en ácido fórmico y volver al estado original. El desarrollo de esta teoría fue llevado a cabo por científicos alemanes. La relevancia del tema fue minimizar la liberación de dióxido de carbono al aire atmosférico. Este resultado puede lograrse mediante su uso activo como principal fuente de carbono para la síntesis de sustancias orgánicas.
La innovadora técnica desarrollada por especialistas alemanes implica la implementación de hidrogenación catalítica con la formación de ácido fórmico. Según él, el dióxido de carbono se convierte tanto en material base como en disolvente para separar el producto final, ya que la reacción se lleva a cabo en CO2 supercrítico. Gracias a este enfoque integrado, la producción de ácido metano en un solo paso se convierte en una realidad.
El proceso de hidrogenación de dióxido de carbono con la formación de ácido metano es actualmente uno de los objetos de investigación activa. El objetivo principal que persiguen los científicos es obtener compuestos químicos residuos generados por la combustión de combustibles fósiles. Además de la amplia distribución del ácido fórmico en diversas industrias, cabe destacar su participación en el almacenamiento de hidrógeno. Es posible que el papel de combustible para vehículos equipados con paneles solares lo desempeñe este ácido, del que se puede extraer hidrógeno mediante reacciones catalíticas.
La formación de ácido metano a partir de dióxido de carbono por catálisis homogénea ha sido objeto de estudio por parte de especialistas desde la década de 1970. La principal dificultad es el cambio de equilibrio hacia los materiales de partida, que se observa en la etapa de la reacción de equilibrio. Para resolver el problema, es necesario eliminar el ácido fórmico de la composición de la mezcla de reacción. pero en este momento esto solo se puede lograr convirtiendo el ácido metano en una sal u otro compuesto. Por lo tanto, solo se puede obtener ácido puro si hay una etapa adicional, que consiste en la destrucción de esta sustancia, que no permite lograr la organización de un proceso ininterrumpido de formación de ácido fórmico.
Sin embargo, un concepto único se está volviendo cada vez más popular y está siendo desarrollado por científicos del grupo Walter Leitner. Sugieren que la integración de las etapas de hidrogenación del dióxido de carbono y el aislamiento del producto con su implementación dentro de un mismo aparato hace posible que el proceso de obtención de ácido metano puro sea ininterrumpido. ¿Cómo lograron los científicos lograr la máxima eficiencia? La razón de esto fue el uso de un sistema de dos fases en el que la fase móvil está representada por dióxido de carbono supercrítico y la fase estacionaria está representada por un líquido iónico, sal líquida. Cabe señalar que el líquido iónico se utilizó para disolver tanto el catalizador como la base para estabilizar el ácido. El flujo de dióxido de carbono en condiciones en las que la presión y la temperatura superan las cifras críticas contribuye a la eliminación del ácido metano de la composición de la mezcla de reacción. Es importante que la presencia de dióxido de carbono supercrítico no conduzca a la disolución de líquidos iónicos, catalizador, base, asegurando la máxima pureza de la sustancia resultante.
En la industria, los principales métodos para la producción de dióxido de carbono CO2 son su producción como subproducto de la reacción de conversión de metano CH4 en hidrógeno H2, combustión (oxidación) de hidrocarburos, reacción de descomposición de piedra caliza CaCO3 en cal CaO y agua H20.
CO2 como subproducto del reformado con vapor de CH4 y otros hidrocarburos en hidrógeno H2
El hidrógeno H2 es requerido por la industria principalmente para su uso en la producción de amoníaco NH3 (proceso Haber, reacción catalítica de hidrógeno y nitrógeno); El amoníaco es necesario para la producción de fertilizantes minerales y Ácido nítrico. El hidrógeno se puede producir de muchas maneras, incluida la electrólisis del agua, que es muy apreciada por los ecologistas; sin embargo, desafortunadamente, en tiempo dado todos los métodos de producción de hidrógeno, excepto el reformado de hidrocarburos, están absolutamente injustificados desde el punto de vista económico en la escala de producción a gran escala, a menos que haya un exceso de electricidad "gratuita" en la producción. Por lo tanto, el principal método de producción de hidrógeno, durante el cual también se libera dióxido de carbono, es el reformado con vapor de metano: a una temperatura de aproximadamente 700 ... 1100 ° C y una presión de 3 ... 25 bar, en presencia de un catalizador, el vapor H2O reacciona con el metano CH4 con la liberación de gas de síntesis (el proceso es endotérmico, es decir, va con la absorción de calor):
CH4 + H2O (+ calor) → CO + 3H2
El propano se puede reformar con vapor de la misma manera:
C3H8 + 3H2O (+ calor) → 2CO + 7H2
Así como el etanol (alcohol etílico):
C2H5OH + H2O (+ calor) → 2CO + 4H2
Incluso la gasolina se puede reformar con vapor. Hay más de 100 compuestos químicos diferentes en la gasolina, las reacciones de reformado con vapor de isooctano y tolueno se muestran a continuación:
C8H18 + 8H2O (+ calor) → 8CO + 17H2
C7H8 + 7H2O (+ calor) → 7CO + 11H2
Así, en el proceso de reformado con vapor de uno u otro combustible hidrocarbonado, se obtenían hidrógeno y monóxido de carbono CO (monóxido de carbono). En la siguiente etapa del proceso de producción de hidrógeno, el monóxido de carbono en presencia de un catalizador sufre la reacción de mover un átomo de oxígeno O del agua al gas = el CO se oxida a CO2 y el hidrógeno H2 se libera en forma libre. La reacción es exotérmica, libera unos 40,4 kJ/mol de calor:
CO + H2O → CO2 + H2 (+ calor)
En entornos industriales, el dióxido de carbono CO2 liberado durante el reformado con vapor de hidrocarburos es fácil de aislar y recolectar. Sin embargo, el CO2 en este caso es un subproducto indeseable, simplemente liberándolo libremente a la atmósfera, aunque ahora la forma predominante de deshacerse del CO2 es indeseable desde un punto de vista ambiental, y algunas empresas practican métodos más "avanzados". , como, por ejemplo, bombear CO2 a campos de petróleo decrecientes o bombearlo al océano.
Obtención de CO2 a partir de la combustión completa de combustibles hidrocarburos
Cuando se queman hidrocarburos como el metano, el propano, la gasolina, el queroseno, el gasóleo, etc., es decir, se oxidan con una cantidad suficiente de oxígeno, se forma dióxido de carbono y, normalmente, agua. Por ejemplo, la reacción de combustión del metano CH4 se ve así:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
CO2 como subproducto de la producción de H2 por oxidación parcial del combustible
Aproximadamente el 95% del hidrógeno producido industrialmente en el mundo se produce mediante el proceso descrito anteriormente de reformado con vapor de combustibles de hidrocarburos, principalmente metano CH4 contenido en gas natural. Además del reformado con vapor, se puede obtener hidrógeno a partir de combustible hidrocarburo con una eficiencia bastante alta por el método de oxidación parcial, cuando el metano y otros hidrocarburos reaccionan con una cantidad de oxígeno insuficiente para la combustión completa del combustible (recuérdese que en el proceso de oxidación completa combustión del combustible, brevemente descrita anteriormente, se obtiene dióxido de carbono gas CO2 y agua H2O). Cuando se suministra una cantidad de oxígeno inferior a la estequiométrica, los productos de reacción son predominantemente hidrógeno H2 y monóxido de carbono, también conocido como monóxido de carbono CO; en pequeñas cantidades se obtiene dióxido de carbono CO2 y algunas otras sustancias. Dado que, en la práctica, este proceso no suele realizarse con oxígeno purificado, sino con aire, existe nitrógeno a la entrada y salida del proceso, que no participa en la reacción.
La oxidación parcial es un proceso exotérmico, es decir, se libera calor como resultado de la reacción. La oxidación parcial es generalmente mucho más rápida que el reformado con vapor y requiere un reactor más pequeño. Como se ve en las reacciones a continuación, inicialmente la oxidación parcial produce menos hidrógeno por unidad de combustible que el reformado con vapor.
Reacción de oxidación parcial del metano CH4:
CH 4 + ½O 2 → CO + H 2 (+ calor)
Propano C3H8:
C 3 H 8 + 1½O 2 → 3CO + 4H 2 (+ calor)
Alcohol etílico C2H5OH:
C 2 H 5 OH + ½O 2 → 2CO + 3H 2 (+ calor)
Oxidación parcial de la gasolina tomando como ejemplo el isooctano y el tolueno, a partir de más de un centenar de compuestos químicos presentes en la gasolina:
C 8 H 18 + 4O 2 → 8CO + 9H 2 (+ calor)
C 7 H 18 + 3½O 2 → 7CO + 4H 2 (+ calor)
Para convertir el CO en dióxido de carbono y producir hidrógeno adicional, se utiliza la reacción de cambio de oxígeno agua → gas ya mencionada en la descripción del proceso de reformado con vapor:
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (+ pequeña cantidad de calor)
CO2 en la fermentación de azúcar
En la producción de bebidas alcohólicas y productos de panadería a partir de masa de levadura, se utiliza el proceso de fermentación de azúcares - glucosa, fructosa, sacarosa, etc., con formación de alcohol etílico C2H5OH y dióxido de carbono CO2. Por ejemplo, la reacción de fermentación de glucosa C6H12O6 es:
C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2
Y la fermentación de la fructosa C12H22O11 se ve así:
C 12 H 22 O 11 + H 2 O → 4C 2 H 5 OH + 4CO 2
Equipos de producción de CO2 de Wittemann
En la producción de bebidas alcohólicas, el alcohol resultante es un producto deseable y, incluso podría decirse, necesario de la reacción de fermentación. El dióxido de carbono a veces se libera a la atmósfera y, a veces, se deja en la bebida para carbonatarlo. Al hornear pan, ocurre lo contrario: se necesita CO2 para formar burbujas que hacen que la masa suba, y el alcohol etílico se evapora casi por completo durante la cocción.
Muchas empresas, principalmente destilerías, para las cuales el CO 2 es un subproducto completamente innecesario, han establecido su recolección y venta. El gas de los tanques de fermentación se alimenta a través de trampas de alcohol a la planta de dióxido de carbono, donde se purifica, licua y envasa el CO2. De hecho, son las destilerías las principales proveedoras de dióxido de carbono en muchas regiones, y para muchas de ellas, la venta de dióxido de carbono no es en modo alguno la última fuente de ingresos.
Existe toda una industria de producción de equipos para la emisión de dióxido de carbono puro en cervecerías y destilerías (Huppmann/GEA Brewery, Wittemann, etc.), así como su producción directa a partir de combustibles hidrocarburos. Los proveedores de gas como Air Products y Air Liquide también están instalando estaciones de recuperación y purificación de CO 2 , licuefacción y embotellado.
CO2 en la producción de cal viva CaO a partir de CaCO3
El proceso de producción de la cal viva CaO ampliamente utilizada también tiene dióxido de carbono como subproducto de la reacción. La reacción de descomposición de la piedra caliza CaCO3 es endotérmica, necesita una temperatura del orden de +850°C y se ve así:
CaCO3 → CaO + CO2
Si la piedra caliza (u otro carbonato metálico) reacciona con un ácido, se libera dióxido de carbono H2CO3 como uno de los productos de la reacción. Por ejemplo, el ácido clorhídrico HCl reacciona con la piedra caliza (carbonato de calcio) CaCO3 de la siguiente manera:
2HCl + CaCO3 → CaCl2 + H2CO3
El ácido carbónico es muy inestable y, en condiciones atmosféricas, se descompone rápidamente en CO2 y agua H2O.
Los químicos han desarrollado un fotocatalizador a base de óxido de cobre y óxido de zinc, que permite convertir el dióxido de carbono en metano cuando se expone a luz del sol, y el uso de tal catalizador hizo posible evitar completamente la formación de subproductos. Investigación publicada en Comunicaciones de la naturaleza.
Un aumento en el dióxido de carbono en la atmósfera se llama uno de los Posibles Causas calentamiento global. Para reducir de alguna manera el nivel de dióxido de carbono, los científicos proponen utilizarlo como fuente química en la conversión a otras sustancias que contienen carbono. Por ejemplo, recientemente se ha producido la reducción del dióxido de carbono atmosférico a metanol. Se han hecho muchos intentos para desarrollar formas efectivas conversión de dióxido de carbono en combustibles de hidrocarburos. Por lo general, los catalizadores a base de óxido de titanio (IV) se utilizan para esto, sin embargo, su uso conduce a la producción de una gran cantidad de subproductos, en particular, hidrógeno.
En su nuevo trabajo, los químicos de Corea propusieron una nueva configuración de un fotocatalizador que consiste en óxido de zinc y óxido de cobre (I), que permite reducir el dióxido de carbono atmosférico a metano con alta eficiencia. Para obtener el catalizador, los químicos utilizaron una síntesis en dos etapas a partir de acetilacetonatos de cobre y zinc. Como resultado, fue posible obtener nanopartículas esféricas de óxido de zinc recubiertas con pequeños nanocristales cúbicos de óxido de cobre(I).
Esquema para la síntesis de nanopartículas catalizadoras.
KL Bae et al./Nature Communications, 2017
Resultó que tales nanopartículas son fotocatalizadores para la conversión de dióxido de carbono en metano. La reacción tiene lugar a temperatura ambiente cuando se irradia con luz en las regiones visible y ultravioleta en un medio acuático. Es decir, se trata de dióxido de carbono, previamente disuelto en agua. La actividad del catalizador fue de 1080 micromoles por hora por gramo de catalizador. La concentración de metano en la mezcla de gases resultante superó el 99 por ciento. La razón de una eficiencia tan alta del catalizador, dicen los autores del trabajo, es la relación de energías de banda prohibida en los óxidos de cobre y zinc, lo que conduce a una transferencia de carga más eficiente entre los componentes.
Cambio en la concentración de sustancias durante la conversión de dióxido de carbono en metano usando el catalizador propuesto
KL Bae et al./Nature Communications, 2017
Además, los científicos compararon las propiedades del catalizador propuesto con el catalizador más eficiente que se ha utilizado anteriormente para la conversión de dióxido de carbono. Resultó que un catalizador del mismo peso durante el mismo tiempo le permite obtener aproximadamente 15 veces menos metano que uno nuevo. Además, el contenido de hidrógeno en la mezcla resultante es unas 4 veces mayor que el contenido de metano.
Según los científicos, el catalizador propuesto por ellos no solo puede usarse para la conversión eficiente de dióxido de carbono en metano, sino que también es una fuente de información sobre los mecanismos de tales reacciones con la participación de fotocatalizadores.
Se utilizan otros métodos para reducir la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera. Por ejemplo, recientemente en una de las centrales eléctricas de Islandia, un módulo que captura el dióxido de carbono atmosférico.
Alejandro Dubov
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