Gårdar möter årligen problemet med bortskaffande av gödsel. Avsevärda medel går till spillo, som krävs för att organisera borttagandet och begravningen. Men det finns ett sätt som gör att du inte bara kan spara dina pengar, utan också få denna naturliga produkt att tjäna dig till fördel.
Försiktiga ägare har länge använt ekoteknik i praktiken, vilket gör det möjligt att hämta biogas från gödsel och använda resultatet som bränsle.
Därför kommer vi i vårt material att prata om tekniken för att producera biogas, vi kommer också att prata om hur man bygger en bioenergianläggning.
Bestämning av den erforderliga volymen
Reaktorns volym bestäms utifrån den dagliga mängden gödsel som produceras på gården. Det är också nödvändigt att ta hänsyn till typen av råvaror, temperatur och jäsningstid. För att installationen ska fungera fullt ut är behållaren fylld till 85-90% av volymen, minst 10% måste vara ledig för att gas ska kunna strömma ut.
Processen för nedbrytning av organiskt material i en mesofil anläggning vid en medeltemperatur på 35 grader varar från 12 dagar, varefter de fermenterade resterna avlägsnas och reaktorn fylls med en ny del av substratet. Eftersom avfallet späds ut med vatten upp till 90 % innan det skickas till reaktorn måste även mängden vätska beaktas vid bestämning av den dagliga belastningen.
Baserat på de givna indikatorerna kommer reaktorns volym att vara lika med den dagliga mängden av det beredda substratet (gödsel med vatten) multiplicerat med 12 (tiden som krävs för nedbrytning av biomassa) och ökad med 10 % (fri volym av behållaren).
Konstruktion av en underjordisk struktur
Låt oss nu prata om den enklaste installationen, som gör att du kan få till lägsta kostnad. Överväg att bygga ett underjordiskt system. För att göra det måste du gräva ett hål, dess bas och väggar hälls med armerad expanderad lerbetong.
Från motsatta sidor av kammaren visas inlopps- och utloppsöppningar, där lutande rör är monterade för tillförsel av substratet och utpumpning av avfallsmassan.
Utloppsröret med en diameter på ca 7 cm bör placeras nästan längst ner i bunkern, dess andra ände är monterad i en rektangulär kompensationsbehållare i vilken avfall pumpas ut. Rörledningen för tillförsel av substratet är belägen cirka 50 cm från botten och har en diameter på 25-35 cm. Övre del rör in i facket för mottagning av råmaterial.
Reaktorn måste vara helt förseglad. För att utesluta möjligheten av luftinträngning måste behållaren täckas med ett skikt av bituminös vattentätning.
Den övre delen av bunkern är en gashållare med en kupol- eller konform. Den är gjord av plåt eller takjärn. Det är också möjligt att komplettera konstruktionen med murverk, som sedan kläds med stålnät och putsas. På toppen av gastanken måste du göra en förseglad lucka, ta bort gasröret som passerar genom vattentätningen och installera en ventil för att avlasta gastrycket.
För att blanda substratet kan enheten utrustas med ett dräneringssystem som fungerar enligt bubblingsprincipen. För att göra detta, fäst plaströr vertikalt inuti strukturen så att deras övre kant är ovanför substratskiktet. Gör många hål i dem. Gas under tryck kommer att gå ner, och när gasbubblorna stiger upp kommer biomassan att blandas i tanken.
Om du inte vill bygga en betongbunker kan du köpa en färdig PVC-behållare. För att bevara värmen måste den täckas runt med ett lager av värmeisolering - polystyrenskum. Gropens botten är fylld med armerad betong med ett lager på 10 cm.Polyvinylkloridtankar kan användas om reaktorns volym inte överstiger 3 m3.
Slutsatser och användbar video om ämnet
Hur man gör det mesta den enklaste installationen från en vanlig tunna får du veta om du tittar på videon:
Den enklaste reaktorn kan göras på några dagar med dina egna händer med hjälp av tillgängliga verktyg. Om gården är stor, är det bäst att köpa en färdig installation eller kontakta specialister.
Med tiden blir "gröna" tekniker mer populära. Tidigare i veckan tillkännagav LanzaTech produktionen av cirka 15 000 liter flygbränsle. Världen producerar mycket mer bränsle varje dag, men det här är speciellt, det härrörde från gasformiga utsläpp från industriella kinesiska företag. Bränslet överlämnades till Virgin Atlantic, Richard Bransons bolag, och flygplanet som fylldes med detta bränsle har redan gjort en framgångsrik flygning.
Den här veckan tillkännagav det schweiziska företaget Climeworks, som använder atmosfärisk koldioxid, skapandet av en anläggning i Italien som kommer att förbruka CO2 från atmosfären och producera väte. Den senare kommer att användas i metanproduktionscykeln.
Anläggningen har redan byggts, den skapades i juli, lanseringen (hittills i testläge) ägde rum förra veckan. Det är tydligt att den här typen av företag inte är ett billigt nöje, och det skulle inte vara lätt för en startup att hitta medel för genomförandet av ett sådant projekt. Europeiska unionen hittade pengarna och finansierade projektet.
Detta är den tredje anläggningen i företaget som arbetar med bearbetning av koldioxid. Den första satsningen var inte särskilt stor, snarare handlade det om att skapa en liten installation som fångar upp CO2 från atmosfären och släpper ut den i växthus, där växter utvecklades snabbare till följd av ökad koldioxidkoncentration. Den andra anläggningen byggs på Island, där den omvandlar CO2 från ett gasformigt tillstånd till ett bundet. Gasen "injiceras" bokstavligen i litosfären i vulkaniskt aktiva regioner (hela Island är faktiskt en sådan region), där den kemiskt binder med basalt.
Det andra alternativet för utnyttjande av koldioxid är ganska svårt att implementera tekniskt, så genomförandet av projektet var något problematiskt. Trots det konstaterade företagets ledning att installationerna varit i drift länge utan fel, "inte ett enda avbrott" märktes under en tillräckligt lång period. Det bör noteras att utformningen av den andra anläggningen är modulär, den kan utökas, vilket ökar anläggningens produktivitet.
När det gäller det tredje alternativet för ett industriföretag, kommer det inte att fungera dygnet runt, utan bara 8 timmar om dagen. Dess uppgift är att demonstrera möjligheten att producera bränsle "ur tomma intet". Det är tydligt att bränslet, när det förbränns, kommer att frigöra reaktionsprodukter, inklusive koldioxid. Men anläggningen kommer att fånga upp CO2 om och om igen, därmed kommer "den konstgjorda koldioxidcykeln" att genomföras. Om produktionen skalas upp kommer även C02-förbrukningen och flygbränsleproduktionen att öka i volym.
Hittills omfattar anläggningens installation tre luftfångare, som enligt projektledarna är mycket energieffektiva – fler än tidigare versioner. På ett år kan anläggningen, med nuvarande arbetsvolym, samla in cirka 150 ton koldioxid. Installationen av anläggningen möjliggör produktion av cirka 240 kubikmeter väte per timme, med energi som genereras av solpaneler.
Flygbränsle tillverkat av koldioxid
Vidare binder väte till CO2 (det är också isolerat från atmosfärisk luft) med hjälp av katalysatorer. Reaktorn som utför denna operation utvecklades av det franska företaget Atmostat. Metan renas och används för industriella behov. Den omvandlas sedan till en vätska under tryck och används för industriella ändamål.
Trots att anläggningen redan är i drift är den inte ekonomiskt effektiv. Tyvärr är vägen till lönsamhet väldigt lång. Som nämnts ovan kan produktionen endast "ta bort" cirka 150 ton koldioxid per år. Och den årliga volymen av utsläpp av detta ämne till atmosfären är 30-40 gigaton, och denna siffra ökar varje dag.
Hur som helst, produktionen fungerar fortfarande, och investerare är tydligt intresserade av denna teknik - företaget avslutade nyligen ytterligare en omgång, efter att ha fått cirka 30,8 miljoner dollar.
Climeworks är ett företag som är engagerat i liknande projekt, antalet sådana startups ökar successivt, vilket ger hopp om att företagen i slutändan ändå kommer att nå mycket högre volymer av koldioxidförbrukning.
Myrsyra, vars formel är HCOOH, är den enklaste monokarboxylsyran. Som det framgår av dess namn blev de karakteristiska sekret från röda myror källan till dess upptäckt. Syran i fråga är en del av det giftiga ämne som utsöndras av stickande myror. Den innehåller också en brinnande vätska, som bildas av silkesmaskens stickande larver.
För första gången erhölls en lösning av myrsyra under experimenten av den berömda engelske vetenskapsmannen John Ray. I slutet av 1600-talet blandade han vatten och röda skogsmyror i ett kärl. Därefter värmdes kärlet till kokning och en stråle av het ånga leddes genom det. Resultatet av experimentet var att erhålla en vattenlösning, vars utmärkande kännetecken var en starkt sur reaktion.
I mitten av 1700-talet lyckades Andreas Sigismund Marggraf få ren myrsyra. Vattenfri syra, som erhölls av den tyske kemisten Justus Liebig, anses vara den enklaste och starkaste karboxylsyran på samma gång. Enligt modern nomenklatur kallas det metansyra och är en extremt farlig förening.
Hittills har erhållandet av den presenterade syran utförts på flera sätt, inklusive ett antal successiva steg. Men det är bevisat att väte och koldioxid kan omvandlas till myrsyra och återgå till det ursprungliga tillståndet. Utvecklingen av denna teori utfördes av tyska forskare. Ämnets relevans var att minimera utsläppet av koldioxid till atmosfärsluften. Detta resultat kan uppnås genom dess aktiva användning som den huvudsakliga källan till kol för syntes av organiska ämnen.
Den innovativa tekniken som utvecklats av tyska specialister innebär implementering av katalytisk hydrering med bildning av myrsyra. Enligt den blir koldioxid både ett basmaterial och ett lösningsmedel för att separera slutprodukten, eftersom reaktionen utförs i superkritisk CO2. Tack vare detta integrerade tillvägagångssätt blir enstegsproduktion av metansyra verklighet.
Processen för hydrering av koldioxid med bildning av metansyra är för närvarande ett av föremålen för aktiv forskning. Det huvudsakliga målet som eftersträvas av forskare är att erhålla kemiska föreningar avfall från förbränning av fossila bränslen. Förutom den breda distributionen av myrsyra i olika industrier bör dess deltagande i lagring av väte noteras. Det är möjligt att rollen som bränsle för fordon utrustade med solpaneler kommer att spelas av denna syra, från vilken väte kan utvinnas genom katalytiska reaktioner.
Bildandet av metansyra från koldioxid genom homogen katalys har varit föremål för studier av specialister sedan 1970-talet. Den största svårigheten är förskjutningen av jämvikt mot utgångsmaterialen, som observeras vid jämviktsreaktionens skede. För att lösa problemet är det nödvändigt att avlägsna myrsyra från reaktionsblandningens sammansättning. Men på det här ögonblicket detta kan endast uppnås genom att omvandla metansyra till ett salt eller annan förening. Därför är det möjligt att erhålla ren syra endast i närvaro av ett ytterligare steg, som består i förstörelsen av detta ämne, vilket inte gör det möjligt att organisera en oavbruten process för myrsyrabildning.
Ett unikt koncept blir dock allt mer populärt, som utvecklas av forskare från Walter Leitner-gruppen. De föreslår att integrationen av stegen för hydrering av koldioxid och isoleringen av produkten med deras implementering inom samma apparat gör det möjligt att göra processen för att erhålla ren metansyra oavbruten. Hur lyckades forskarna uppnå maximal effektivitet? Anledningen till detta var användningen av ett tvåfassystem där den mobila fasen representeras av superkritisk koldioxid, och den stationära fasen representeras av ett joniskt flytande, flytande salt. Det bör noteras att den joniska vätskan användes för att lösa både katalysatorn och basen för att stabilisera syran. Flödet av koldioxid under förhållanden där trycket och temperaturen överstiger de kritiska siffrorna, bidrar till avlägsnandet av metansyra från reaktionsblandningens sammansättning. Det är viktigt att närvaron av superkritisk koldioxid inte leder till upplösning av joniska vätskor, katalysator, bas, vilket säkerställer maximal renhet av det resulterande ämnet.
Inom industrin är de huvudsakliga metoderna för produktion av koldioxid CO2 dess produktion som en biprodukt av reaktionen att omvandla metan CH4 till väte H2, förbränning (oxidation) av kolväten, reaktionen av nedbrytning av kalksten CaCO3 till kalk CaO och vatten H20.
CO2 som en biprodukt av ångreformeringen av CH4 och andra kolväten till väte H2
Väte H2 krävs av industrin främst för dess användning vid produktion av ammoniak NH3 (Haberprocess, katalytisk reaktion av väte och kväve); ammoniak behövs för produktion av mineralgödsel och salpetersyra. Väte kan produceras på många sätt, inklusive vattenelektrolys, som är älskat av ekologer - dock tyvärr, kl. given tid alla metoder för väteproduktion, förutom kolvätereformering, är helt ekonomiskt omotiverade i skalan av storskalig produktion - såvida det inte finns ett överskott av "gratis" el i produktionen. Därför är den huvudsakliga metoden för väteproduktion, under vilken koldioxid också frigörs, metanångreformering: vid en temperatur på cirka 700 ... 1100 ° C och ett tryck på 3 ... 25 bar, i närvaro av en katalysator, ånga H2O reagerar med metan CH4 med frigöring av syntesgas (processen är endoterm, det vill säga den går med absorption av värme):
CH4 + H2O (+ värme) → CO + 3H2
Propan kan ångreformeras på samma sätt:
C3H8 + 3H2O (+ värme) → 2CO + 7H2
Samt etanol (etylalkohol):
C2H5OH + H2O (+ värme) → 2CO + 4H2
Även bensin kan ångreformeras. Det finns mer än 100 olika kemiska föreningar i bensin, ångreformeringsreaktionerna av isooktan och toluen visas nedan:
C8H18 + 8H2O (+ värme) → 8CO + 17H2
C7H8 + 7H2O (+ värme) → 7CO + 11H2
Så, i processen för ångreformering av ett eller annat kolvätebränsle, erhölls väte och kolmonoxid CO (kolmonoxid). I nästa steg av väteproduktionsprocessen genomgår kolmonoxid i närvaro av en katalysator reaktionen att flytta en syreatom O från vatten till gas = CO oxideras till CO2 och väte H2 frigörs i fri form. Reaktionen är exoterm, den frigör cirka 40,4 kJ / mol värme:
CO + H2O → CO2 + H2 (+ värme)
I industriella miljöer är den koldioxid CO2 som frigörs vid ångreformeringen av kolväten lätt att isolera och samla upp. Men CO2 är i det här fallet en oönskad biprodukt, som helt enkelt släpper ut den fritt i atmosfären, även om det rådande sättet att bli av med CO2 nu är oönskat ur miljösynpunkt, och vissa företag tillämpar mer "avancerade" metoder , som att till exempel pumpa CO2 in i minskande debetoljefält eller pumpa ut den i havet.
Erhålla CO2 från fullständig förbränning av kolvätebränslen
När kolväten som metan, propan, bensin, fotogen, dieselbränsle etc. förbränns, det vill säga oxideras med tillräcklig mängd syre, bildas koldioxid och vanligtvis vatten. Till exempel ser förbränningsreaktionen av metan CH4 ut så här:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
CO2 som en biprodukt av H2-produktion genom partiell oxidation av bränsle
Ungefär 95 % av det industriellt producerade vätet i världen produceras genom den ovan beskrivna processen för ångreformering av kolvätebränslen, främst metan CH4 som finns i naturgas. Förutom ångreformering kan väte erhållas från kolvätebränsle med en ganska hög effektivitet genom den partiella oxidationsmetoden, när metan och andra kolväten reagerar med en mängd syre som är otillräcklig för fullständig förbränning av bränslet (kom ihåg att i processen för fullständig förbränning av bränslet, kort beskrivet ovan, koldioxid erhålls CO2-gas och H20-vatten). När en mindre än stökiometrisk mängd syre tillförs, är reaktionsprodukterna övervägande väte H2 och kolmonoxid, även känd som kolmonoxid CO; i små mängder erhålls koldioxid CO2 och en del andra ämnen. Eftersom, i praktiken, denna process vanligtvis inte utförs med renat syre, utan med luft, finns det kväve vid inloppet och utloppet av processen, som inte deltar i reaktionen.
Partiell oxidation är en exoterm process, det vill säga värme frigörs som ett resultat av reaktionen. Partiell oxidation är i allmänhet mycket snabbare än ångreformering och kräver en mindre reaktor. Som framgår av reaktionerna nedan producerar partiell oxidation initialt mindre väte per enhet bränsle än ångreformering gör.
Reaktion av partiell oxidation av metan CH4:
CH 4 + ½O 2 → CO + H 2 (+ värme)
Propan C3H8:
C 3 H 8 + 1½O 2 → 3CO + 4H 2 (+ värme)
Etylalkohol C2H5OH:
C 2 H 5 OH + ½O 2 → 2CO + 3H 2 (+ värme)
Partiell oxidation av bensin med exemplet isooktan och toluen, från mer än hundra kemiska föreningar som finns i bensin:
C 8 H 18 + 4O 2 → 8CO + 9H 2 (+ värme)
C 7 H 18 + 3½O 2 → 7CO + 4H 2 (+ värme)
För att omvandla CO till koldioxid och producera ytterligare väte, används vatten → gas syreskiftningsreaktionen som redan nämnts i beskrivningen av ångreformeringsprocessen:
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (+ liten mängd värme)
CO2 vid sockerjäsning
Vid produktion av alkoholhaltiga drycker och bageriprodukter från jästdeg används processen för jäsning av sockerarter - glukos, fruktos, sackaros, etc., med bildning av etylalkohol C2H5OH och koldioxid CO2. Till exempel är glukosfermenteringsreaktionen C6H12O6:
C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2
Och fermenteringen av fruktos C12H22O11 ser ut så här:
C12H22O11 + H2O → 4C2H5OH + 4CO2
Wittemann CO2 produktionsutrustning
Vid framställning av alkoholhaltiga drycker är den resulterande alkoholen en önskvärd och, man kan till och med säga, en nödvändig produkt av jäsningsreaktionen. Koldioxid släpps ibland ut i atmosfären och lämnas ibland i drycken för att kolsyra den. Vid bakning av bröd är det tvärtom: CO2 behövs för att skapa bubblor som får degen att jäsa och etylalkohol avdunstar nästan helt under gräddningen.
Många företag, främst destillerier, för vilka CO 2 är en helt onödig biprodukt, har inrättat sin insamling och försäljning. Gasen från jäsningstankarna matas genom alkoholfällor till koldioxidanläggningen, där CO2 renas, kondenseras och buteljeras. Det är faktiskt destillerierna som är huvudleverantörerna av koldioxid i många regioner – och för många av dem är försäljningen av koldioxid på intet sätt den sista inkomstkällan.
Det finns en hel industri av produktion av utrustning för frisättning av ren koldioxid i bryggerier och destillerier (Huppmann / GEA Brewery, Wittemann, etc.), såväl som dess direkta produktion från kolvätebränslen. Gasleverantörer som Air Products och Air Liquide installerar också CO 2 -återvinnings- och reningsstationer, kondensering och cylindrering.
CO2 vid produktion av bränd kalk CaO från CaCO3
Produktionsprocessen för den mycket använda brända kalken CaO har också koldioxid som reaktionsbiprodukt. Nedbrytningsreaktionen av kalksten CaCO3 är endotermisk, behöver en temperatur i storleksordningen +850°C och ser ut så här:
CaCO3 → CaO + CO2
Om kalksten (eller annan metallkarbonat) reagerar med syra frigörs koldioxid H2CO3 som en av reaktionsprodukterna. Till exempel reagerar saltsyra HCl med kalksten (kalciumkarbonat) CaCO3 enligt följande:
2HCl + CaCO3 → CaCl2 + H2CO3
Kolsyra är mycket instabil och under atmosfäriska förhållanden sönderfaller snabbt till CO2 och vatten H2O.
Kemister har utvecklat en fotokatalysator baserad på kopparoxid och zinkoxid, som gör att du kan omvandla koldioxid till metan när den utsätts för solljus och användningen av en sådan katalysator gjorde det möjligt att helt undvika bildningen av biprodukter. Forskning publicerad i Naturkommunikation.
En ökning av koldioxid i atmosfären kallas en av de möjliga orsaker Global uppvärmning. För att på något sätt minska nivån av koldioxid, föreslår forskare att använda den som en kemisk källa i omvandlingen till andra kolhaltiga ämnen. Till exempel har det nyligen skett en reduktion av atmosfärisk koldioxid till metanol. Många försök har gjorts för att utveckla effektiva sätt omvandling av koldioxid till kolvätebränslen. Typiskt används katalysatorer baserade på titanoxid (IV) för detta, men deras användning leder till produktion av ett stort antal biprodukter - i synnerhet väte.
I sitt nya arbete föreslog kemister från Korea en ny konfiguration av en fotokatalysator bestående av zinkoxid och koppar(I)oxid, vilket gör det möjligt att reducera atmosfärisk koldioxid till metan med hög effektivitet. För att erhålla katalysatorn använde kemister en tvåstegssyntes från koppar- och zinkacetylacetonater. Som ett resultat var det möjligt att erhålla sfäriska zinkoxidnanopartiklar belagda med små kubiska koppar(I)oxidnanokristaller.
Schema för syntes av katalysatornanopartiklar
K.L. Bae et al./Nature Communications, 2017
Det visade sig att sådana nanopartiklar är fotokatalysatorer för omvandlingen av koldioxid till metan. Reaktionen sker vid rumstemperatur när den bestrålas med ljus i de synliga och ultravioletta områdena i en vattenmiljö. Det vill säga, det handlar om koldioxid, som tidigare lösts i vatten. Katalysatorns aktivitet var 1080 mikromol per timme per gram katalysator. Koncentrationen av metan i den resulterande blandningen av gaser översteg 99 procent. Anledningen till en så hög effektivitet hos katalysatorn, säger författarna till arbetet, är förhållandet mellan bandgapsenergier i koppar- och zinkoxider, vilket leder till en mer effektiv laddningsöverföring mellan komponenterna.
Förändring i koncentrationen av ämnen under omvandlingen av koldioxid till metan med hjälp av den föreslagna katalysatorn
K.L. Bae et al./Nature Communications, 2017
Dessutom jämförde forskarna egenskaperna hos den föreslagna katalysatorn med den mest effektiva katalysatorn som har använts för koldioxidomvandling tidigare. Det visade sig att en katalysator med samma vikt under samma tid gör att du kan få ungefär 15 gånger mindre metan än en ny. Dessutom är vätehalten i den resulterande blandningen cirka 4 gånger högre än metanhalten.
Enligt forskarna kan katalysatorn som föreslagits av dem inte bara användas för effektiv omvandling av koldioxid till metan, utan är också en källa till information om mekanismerna för sådana reaktioner med deltagande av fotokatalysatorer.
Andra metoder används för att minska mängden koldioxid i atmosfären. Till exempel nyligen vid ett av kraftverken på Island, en modul som fångar upp atmosfärisk koldioxid.
Alexander Dubov
- I kontakt med 0
- Google Plus 0
- OK 0
- Facebook 0
