Фермерские хозяйства ежегодно сталкиваются с проблемой утилизации навоза. В никуда уходят немалые средства, которые требуются для организации его вывоза и захоронения. Но есть способ, позволяющий не только сэкономить свои деньги, но и заставить служить себе во благо этот природный продукт.
Рачительные хозяева уже давно применяют на практике экотехнологию, позволяющую получить биогаз из навоза и использовать результат в качестве топлива.
Поэтому в нашем материале речь пойдет о технологии получения биогаза, также мы расскажем о том, как соорудить биоэнергетическую установку.
Определение требующегося объема
Объем реактора определяется исходя из суточного количества навоза, производимого в хозяйстве. Также необходимо учитывать тип сырья, температурный режим и время брожения. Чтобы установка полноценно работала, емкость заполняется на 85-90% объема, как минимум 10% должно оставаться свободным для выхода газа.
Процесс разложения органики в мезофильной установке при средней температуре 35 градусов длится от 12 суток, после чего ферментированные остатки извлекаются, и реактор заполняется новой порцией субстрата. Поскольку перед отправкой в реактор отходы разбавляются водой до 90%, то количество жидкости также нужно учитывать при определении суточной загрузки.
Исходя из приведенных показателей, объем реактора будет равен суточному количеству подготовленного субстрата (навоза с водой) умноженному на 12 (время необходимое для разложения биомассы) и увеличенному на 10% (свободный объем емкости).
Строительство подземного сооружения
Теперь поговорим о простейшей установке, позволяющей получить с наименьшими затратами. Рассмотрим строительство подземной системы. Чтобы ее изготовить нужно вырыть яму, ее основание и стены заливаются армированным керамзитобетоном.
С противоположных сторон камеры выводятся входное и выходное отверстия, куда монтируются наклонные трубы для подачи субстрата и откачки отработанной массы.
Выходная труба диаметром примерно 7 см должна находиться практически у самого дна бункера, другой ее конец монтируется в компенсирующую емкость прямоугольной формы, в которую будут откачиваться отходы. Трубопровод для подачи субстрата располагается приблизительно на расстоянии 50 см от дна и имеет диаметр 25-35 см. Верхняя часть трубы входит в отсек для приема сырья.
Реактор должен быть полностью герметичным. Чтобы исключить возможность попадания воздуха, емкость необходимо покрыть слоем битумной гидроизоляции
Верхняя часть бункера – газгольдер, имеющий купольную или конусную форму. Он изготавливается из металлических листов или кровельного железа. Можно также конструкцию завершить кирпичной кладкой, которая затем оббивается стальной сеткой и штукатурится. Сверху газгольдера нужно сделать герметичный люк, вывести газовую трубу, проходящую через гидрозатвор и установить клапан для сброса давления газа.
Для перемешивания субстрата можно оборудовать установку дренажной системой, действующей по принципу барботажа. Для этого внутри конструкции вертикально закрепите пластиковые трубы, чтобы их верхний край был выше слоя субстрата. Проделайте в них множество отверстий. Газ под давлением будет опускаться вниз, а поднимаясь вверх, пузырьки газа будут перемешивать находящуюся в емкости биомассу.
Если вы не желаете заниматься строительством бетонного бункера, можно купить готовую емкость из ПВХ. Для сохранения тепла ее нужно обложить вокруг слоем теплоизоляции – пенополистиролом. Дно ямы заливается армированным бетоном слоем 10 см. Резервуары из поливинилхлорида допускается использовать, если объем реактора не превышает 3 м3.
Выводы и полезное видео по теме
Как сделать самую простейшую установку из обычной бочки, вы узнаете, если посмотрите видео:
Простейший реактор можно сделать за несколько дней своими руками, используя подручные средства. Если хозяйство крупное, то лучше всего купить готовую установку или обратиться к специалистам.
С течением времени «зеленые» технологии становятся все популярнее. Ранее на этой неделе компания LanzaTech о производстве около 15 тысяч литров авиационного топлива. В мире производится гораздо больше топлива каждый день, но это - особенное, его получили из газообразных выбросов промышленных китайских предприятий. Топливо было передано Virgin Atlantic, компании Ричарда Брэнсона, и самолет, который был заправлен этим горючим, уже совершил успешный рейс.
На этой неделе швейцарская компания Climeworks, занимающаяся утилизацией атмосферного углекислого газа, объявила о создании завода в Италии, который будет потреблять CO2 из атмосферы и производить водород. Последний будет использоваться в цикле производства метана.
Завод уже построен, он был создан в июле, запуск его (пока что в тестовом режиме) состоялся на прошлой неделе. Понятно, что предприятие такого типа - недешевое удовольствие, и стартапу было бы не просто найти средства на реализацию такого проекта. Европейский союз нашел деньги и профинансировал проект.
Это уже третий завод компании, занимающийся переработкой углекислого газа. Первое предприятие было не слишком крупным, скорее, речь шла о создании небольшой установки, улавливающей CO2 из атмосферы и пускающей его в теплицы, где растения в результате повышения концентрации углекислого газа быстрее развивались. Второй завод построен в Исландии, там он переводит CO2 из газообразного состояния в связанное. Газ в буквальном смысле «впрыскивают» в литосферу вулканически активных регионов (вся Исландия, по сути, представляет собой такой регион), где он связывается химически с базальтом.
Второй вариант утилизации углекислого газа достаточно сложно осуществить технически, поэтому реализация проекта была несколько проблемной. Тем не менее, руководство компании заявило о продолжительной работе установок без сбоев, «ни единого разрыва» замечено не было за достаточно долгий срок. Стоит отметить, что конструкция второго завода модульная, его можно расширять, увеличивая, таким образом, производительность установки.
Что касается третьего варианта промышленного предприятия, то оно будет работать не круглые сутки, а всего 8 часов в день. Его задача - продемонстрировать возможность производства топлива «из воздуха». Понятно, что топливо, сгорая, будет выделять продукты реакции, включая углекислый газ. Но завод будет улавливать CO2 снова и снова, таким образом, будет осуществляться «техногенный цикл углекислого газа». Если масштабировать производство, то потребление C02 и выработка горючего для самолетов будет также увеличиваться в объемах.
Пока что установка завода включает три сборника воздуха, которые, по словам руководителей проекта, весьма энергоэффективны - более, чем предыдущие версии. В год завод, при нынешнем объеме работы, может собирать около 150 тонн углекислого газа. Установка завода позволяет производить около 240 кубических метров водорода в час, используя энергию, генерируемую солнечными батареями.
Авиационное топливо, произведенное из углекислого наза
Далее водород связывается с CO2 (его также выделяют из атмосферного воздуха) при помощи катализаторов. Реактор, который выполняет эту операцию, разработала французская компания Atmostat. Метан очищается и используется для нужд промышленности. Затем он под давлением преобразуется в жидкость и используется для промышленных целей.
Несмотря на то, что завод уже работает, он экономически неэффективен. К сожалению, путь к прибыльности очень длинный. Как уже указывалось выше, производство способно «изъять» всего около 150 тонн углекислого газа в год. А ежегодный объем выбросов этого вещества в атмосферу составляет 30-40 гигатонн, причем с каждым днем этот показатель увеличивается.
Как бы там ни было, производство пока работает, а инвесторы явно заинтересованы в этой технологии - недавно компания закрыла очередной раунд, получив около $30,8 млн.
Climeworks компания, которая занимается подобными проектами, количество таких стартапов постепенно увеличивается, что дает надежду на то, что в итоге компании все же выйдут на гораздо бОльшие объемы потребления углекислого газа.
Муравьиная кислота , формула которой – HCOOH, представляет собой простейшую монокарбоновую кислоту. Как становится понятно из ее названия, источником ее обнаружения стали характерные выделения рыжих муравьев. Рассматриваемая кислота входит в состав ядовитого вещества, выделяемого жалящими муравьями. Также она ее содержит жгучая жидкость, которую образуют жалящие гусеницы шелкопряда.
Впервые раствор муравьиной кислоты был получен в ходе опытов известного английского ученого Джона Рея. В конце семнадцатого столетия он смешал в сосуде воду и рыжих лесных муравьев. Далее сосуд был нагрет до кипения, и через него пропущена струя горячего пара. Итогом эксперимента стало получение водного раствора, отличительной характеристикой которой являлась сильнокислая реакция.
Добиться получения чистой муравьиной кислоты удалось в середине восемнадцатого столетия Андреасу Сигизмунду Маргграфу. Безводная кислота, которая была получена немецким химиком Юстусом Либихом, считается наиболее простой и сильной карбоновой кислотой одновременно. Согласно современной номенклатуре, она носит название метановой кислоты и является чрезвычайно опасным соединением.
На сегодняшний день получение представленной кислоты осуществляется несколькими способами, включающими ряд последовательных этапов. Но доказано, что водород и углекислый газ способны превращаться в муравьиную кислоту и возвращаться в исходное состояние. Разработка данной теории велась немецкими учеными. Актуальность темы состояла в минимизации поступления углекислого газа в атмосферный воздух. Добиться такого результата позволяет его активное использование в качестве главного источника углерода для синтезирования органических веществ.
Инновационная методика, над которой работали немецкие специалисты, предполагает осуществление каталитического гидрирования с образованием муравьиной кислоты. Согласно ей, углекислый газ становится одновременно базовым материалом и растворителем для отделения конечного продукта, так как реакция проводится в сверхкритическом СО2. Благодаря указанному интегрированному подходу становится реальным одностадийное получение метановой кислоты.
Процесс гидрирования углекислого газа с образованием метановой кислоты на сегодняшний день относится к объектам активного исследования. Основная цель, которую преследуют ученые, – получение химических соединений из отходов, которые образуются вследствие сгорания ископаемого топлива. Помимо широкого распространения муравьиной кислоты в различных отраслях необходимо отметить ее участие в хранении водорода. Не исключено, что роль топлива для автотранспорта, оснащенного солнечными батареями, будет играть эта кислота, извлечь водород из которой позволяют каталитические реакции.
Образование метановой кислоты из углекислого газа путем гомогенного катализа является предметом изучения специалистов с 70-х годов двадцатого столетия. Главной трудностью считается смещение равновесия в сторону исходных веществ, которое наблюдается на стадии равновесной реакции. Чтобы решить возникшую проблему, требуется удаление муравьиной кислоты из состава реакционной смеси. Но на данный момент этого удастся достичь только при условии преобразования метановой кислоты в соль либо другое соединение. Следовательно, получить чистую кислоту можно лишь при наличии дополнительной стадии, заключающейся в разрушении данного вещества, что не позволяет достичь организации бесперебойного процесса образования муравьиной кислоты.
Однако все более популярной становится уникальная концепция, разработкой которой занимаются ученые из группы Уолтера Ляйтнера. Они предполагают, что интеграция стадий гидрирования углекислого газа и выделения продукта с их осуществлением в пределах одного аппарата дает возможность сделать процесс получения чистой метановой кислоты бесперебойным. Каким образом ученым удалось добиться максимальной эффективности? Причиной тому стало применение двухфазной системы, в которой подвижная фаза представлена сверхкритическим углекислым газом, стационарная фаза – ионной жидкостью, жидкой солью. Следует отметить, что ионная жидкость использовалась для растворения как катализатора, так и основания, призванного стабилизировать кислоту. Поступление потока углекислого газа в условиях, когда давление и температура превышают критические цифры, способствует удалению метановой кислоты из состава реакционной смеси. Немаловажно, что присутствие сверхкритического углекислого газа не приводит к растворению ионных жидкостей, катализатора, основания, обеспечивая максимальную чистоту получаемого вещества.
В промышленности, основными способами производства двуокиси углерода CO2 являются ее получение как побочного продукта реакции конвертации метана CH4 в водород H2, реакций сжигания (окисления) углеводородов, реакции разложения известняка CaCO3 на известь CaO и воду H20.
CO2 как побочный продукт парового реформинга CH4 и других углеводородов в водород H2
Водород H2 требуется промышленности, прежде всего, для его использования в процессе производства аммиака NH3 (процесс Хабера, каталитическая реакция водорода и азота); аммиак же нужен для производства минеральных удобрений и азотной кислоты. Водород можно производить разными способами, в том числе и любимым экологами электролизом воды - однако, к сожалению, на данное время все способы производства водорода, кроме реформинга углеводородов, являются в масштабах крупных производств абсолютно экономически неоправданными - если только на производстве нет избытка «бесплатной» электроэнергии. Поэтому, основным способом производства водорода, в процессе которого выделяется и углекислый газ, является паровой реформинг метана: при температуре порядка 700...1100°C и давлении 3...25 бар, в присутствии катализатора, водяной пар H2O реагирует с метаном CH4 с выделением синтез-газа (процесс эндотермический, то есть идет с поглощением тепла):
CH4 + H2O (+ тепло) → CO + 3H2
Аналогичным образом паровому реформингу можно подвергать пропан:
С3H8 + 3H2O (+ тепло) → 2CO + 7H2
А также этанол (этиловый спирт):
C2H5OH + H2O (+ тепло) → 2CO + 4H2
Паровому реформингу можно подвергать даже бензин. В бензине содержится более 100 разных химических соединений, ниже показаны реакции парового реформинга изооктана и толуола:
C8H18 + 8H2O (+ тепло) → 8CO + 17H2
C7H8 + 7H2O (+ тепло) → 7CO + 11H2
Итак, в процессе парового реформинга того или иного углеводородного топлива получен водород и монооксид углерода CO (угарный газ). На следующем этапе процесса производства водорода, угарный газ в присутствии катализатора подвергается реакции перемещения атома кислорода O из воды в газ = CO окисляется в CO2, а водород H2 выделяется в свободной форме. Реакция экзотермическая, при ней выделяется порядка 40,4 кДж/моль тепла:
CO + H2O → CO2 + H2 (+ тепло)
В условиях промышлененых предприятий, выделяющийся при паровом реформинге углеводородов диоксид углерода CO2 легко изолировать и собрать. Однако, CO2 в этом случае является нежелательным побочным продуктом, простой свободный выпуск его в атмосферу, хотя и является сейчас превалирующим путем избавления от CO2, нежелателен с экологической точки зрения, и некоторыми предприятиями практикуются более «продвинутые» методы, такие как, например, закачивание CO2 в нефтяные месторождения со снижающимся дебетом или закачивание его в океан.
Получение CO2 при полном сжигании углеводородного топлива
При сжигании, то есть окислении достаточным количеством кислорода углеводородов, таких как метан, пропан, бензин, керосин, дизельное топливо и др., образуются углекислый газ и, обычно, вода. Например, реакция сгорания метана CH4 выглядит так:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
CO2 как побочный продукт получения H2 методом частичного окисления топлива
Порядка 95% промышленно производимого в мире водорода производится вышеописанным способом парового реформинга углеводородного топлива, прежде всего метана CH4, содержащегося в природном газе. Кроме парового реформинга, из углеводородного топлива с довольно высокой эффективностью можно получать водород и способом частичного окисления, когда метан и другие углеводороды реагируют с недостаточным для полного сжигания топлива количеством кислорода (напомним, что в процессе полного сжигания топлива, кратко описанным чуть выше, получается углекислый газ CO2 и вода H20). При подаче же меньшего, чем стехиометрическое, количества кислорода, продуктами реакции преимущественно являются водород H2 и монооксид углерода, он же угарный газ CO; в небольших количествах получаются и углексилый газ CO2, и некоторые другие вещества. Так как обычно, на практике, этот процесс проводят не с очищенным кислородом, а с воздухом, то как на входе, так и на выходе процесса имеется азот, который в реакции не участвует.
Частичное окисление является экзотермическим процессом, то есть в результате реакции выделяется тепло. Частичное окисление, как правило, протекает значительно быстрее, чем паровой реформинг, и требует меньшего по объему реактора. Как видно на примере приведенных ниже реакций, изначально частичное окисление производит меньше водорода на единицу топлива, чем получается в процессе парового реформинга.
Реакция частичного окисления метана CH4:
CH 4 + ½O 2 → CO + H 2 (+ тепло)
Пропана C3H8:
C 3 H 8 + 1½O 2 → 3CO + 4H 2 (+ тепло)
Этилового спирта C2H5OH:
C 2 H 5 OH + ½O 2 → 2CO + 3H 2 (+ тепло)
Частичное окисление бензина на примере изооктана и толуола, из более чем ста химических соединений, присутствующих в бензине:
C 8 H 18 + 4O 2 → 8CO + 9H 2 (+ тепло)
C 7 H 18 + 3½O 2 → 7CO + 4H 2 (+ тепло)
Для конвертации CO в углекислый газ и получения дополнительного водорода используется уже упомянутая в описании процесса парового реформинга реакция сдвига кислорода вода→газ:
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (+ небольшое количество тепла)
CO2 при ферментации сахара
В производстве алкогольных напитков и хлебобулочных изделий из дрожжевого теста, используется процесс ферментации сахаров - глюкозы, фруктозы, сахарозы и др., с образованием этилового спирта C2H5OH и диоксида углерода CO2. Например, реакция ферментации глюкозы C6H12O6 такова:
C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2
А ферментации фруктозы C12H22O11 - выглядит вот так:
C 12 H 22 O 11 + H 2 O → 4C 2 H 5 OH + 4CO 2
Оборудование для производства CO2 пр-ва компании Wittemann
В производстве алкогольных напитков, получаемый алкоголь является желательным и даже, можно сказать, необходимым продуктом реакции брожения. Углекислый газ же иногда выпускается в атмосферу, а иногда оставляется в напитке для его газирования. В выпечке хлеба все происходит наоборот: CO2 нужен для образования пузырьков, вызывающих поднятие теста, а этиловый спирт почти полностью испаряется при выпечке.
Многие предприятия, прежде всего спиртозаводы, для которых CO 2 является совсем уж ненужным побочным продуктом, наладили его сбор и продажу. Газ из бродильных чанов через спиртовые ловушки подается в углекислотный цех, где CO2 очищают, сжижают и разливают в баллоны. Собственно, именно спиртовые заводы являются во многих регионах основными поставщиками углекислоты - и для многих из них, продажа углекислоты является отнюдь не последним источником доходов.
Существует целая отрасль производства оборудования для выделения чистого углекислого газа на пивоваренных и спиртовых заводах (Huppmann/GEA Brewery, Wittemann и др.), а также его прямого производства из углеводородного топлива. Поставщики газов, такие как Air Products и Air Liquide, также осуществляют установку станций по выделению CO 2 и его последующей очистке, сжижению у заправке в баллоны.
CO2 при производстве негашеной извести CaO из CaCO3
Процесс производства широко используемой негашеной извести CaO также имеет в качестве побочного продукта реакции двуокись углерода. Реакция разложения известняка CaCO3 эндотермическая, нуждается в температуре порядка +850°C и выглядит так:
CaCO3 → CaO + CO2
Если же известняк (или другой карбонат металла) вступает в реакцию с кислотой, то в качестве одного из продуктов реакции выделяется углекисота H2CO3. Например, соляная кислота HCl реагирует с известняком (карбонатом кальция) CaCO3 следующим образом:
2HCl + CaCO 3 → CaCl 2 + H 2 CO 3
Угольная кислота является очень нестойкой, и при атмосферных условиях быстро разлагается на CO2 и воду H2O.
Химики разработали фотокатализатор на основе оксида меди и оксида цинка, который позволяет превращать углекислый газ в метан при воздействии солнечного света, причем использование такого катализатора позволило полностью избежать образования побочных продуктов. Исследование опубликовано в Nature Communications .
Увеличение содержания углекислого газа в атмосфере называют одной из возможных причин глобального потепления. Для того, чтобы хоть как-то снизить уровень углекислого газа, ученые предлагают использовать его в качестве химического источника при конверсии в другие углеродсодержащие вещества. Например, недавно был восстановления атмосферного углекислого газа до метанола. Многократно предпринимались попытки разработки эффективных способов конверсии углекислого газа в углеводородное топливо. Обычно для этого используются катализаторы на основе оксида титана (IV), однако их использование приводит к получению большого количества побочных продуктов - в частности, водорода.
В своей новой работе химики из Кореи предложили новую конфигурацию фотокатализатора, состоящего из оксида цинка и оксида меди (I), который позволяет с высокой эффективностью восстанавливать атмосферный углекислый газ до метана. Для получения катализатора химики использовали двухстадийный синтез из ацетилацетонатов меди и цинка. В результате удалось добиться получения сферических наночастиц оксида цинка, покрытых небольшими кубическими нанокристаллами оксида меди (I).
Схема синтеза наночастиц катализатора
K.-L. Bae et al./ Nature Communications, 2017
Оказалось, такие наночастицы являются фотокатализаторами для конверсии углекислого газа в метан. Реакция проходит при комнатной температуре при облучении светом в видимой и ультрафиолетовой областях в водной среде. То есть в ней участвует углекислый газ, предварительно растворенный в воде. Активность катализатора составила 1080 микромоль в час на 1 грамм катализатора. Концентрация метана в образовавшейся смеси газов превысила 99 процентов. Причиной такой высокой эффективности катализатора авторы работы называют соотношение энергий запрещенных зон в оксидах меди и цинка, которое приводит к более эффективному переносу заряда между компонентами.
Изменение концентрации веществ при конверсии углекислого газа в метан с использованием предложенного катализатора
K.-L. Bae et al./ Nature Communications, 2017
Кроме того, ученые сравнили свойства предложенного катализатора с наиболее эффективным катализатором, который использовался для конверсии углекислого газа до этого. Оказалось, что катализатор такой же массы за то же время позволяет получить примерно в 15 раз меньше метана, чем новый. Кроме того, содержание водорода в образованной смеси примерно в 4 раза больше содержания метана.
По словам ученых, предложенный ими катализатор не только может быть использован для эффективной конверсии углекислого газа в метан, но и является источником информации о механизмах протекания подобных реакций при участии фотокатализаторов.
Для уменьшения количества углекислого газа в атмосфере используются и другие методы. Например, недавно на одной из электростанций в Исландии модуль, который улавливает атмосферный углекислый газ.
Александр Дубов
