بخشی از مقاله
خلاصه:
سوخت های گازی عمدتا شامل ترکیبات هیدروکربنی، هیدروژن و CO2 در حالت گازی هستند. در این میان گاز هیدروژن به عنوان پاکترین و پرانرژیترین سوختهای پاک برای آینده شناخته شده است. امروزه تولید هیدروژن با فرایندهای مختلفی انجام میشود که با استفاده ازآنها هیدروژن خالص با دبی بالا تولید میشود اما این فرایند ها هم پرهزینه هستند و هم تهدیدی برای محیط زیست محسوب میشوند. یکی از روشهای مناسب برای مقابله با این آسیب-ها تولید هیدروژن زیستی است.
هیدروژن زیستی تولیدی توسط واکنش زیستی در پیلهای الکترولیزی میکروبی روش نوین و دوستدار محیط زیستی است که برای تولیدهیدروژن زیستی مورد استفاده قرار می گیرد. خوراک مورد استفاده در آند این پیل این فرایند بسیار ارزان و قابل دسترس بوده و ضایعات سلولزی، لیگنوسلولزی، پسابهای آلی صنایع مختلف و فاضلابها میتوانند به عنوان خوراک درMEC مصرف شده و به هیدروژن تبدیل شوند. گاز هیدروژنی که در پیلهای الکترولیز میکروبی تولید می شود خالص نیست و همراه با آن درصدی از گازهای متان و کربندی اکسید تولید میشود.
پس به منظور دستیابی به هیدروژن خالص باید فرایند جداسازی در خروجی پیل به عملیات اضافه گردد که به منظور جداسازی گازها بدون آسیبهای زیست محیطی، استفاده از فرایند غشایی پیشنهاد میشود. غشای مناسب با دارا بودن دو پارامتر مهم عبوردهی و انتخاب پذیری قادرند از یک مخلوط گازی خروجی پیل الکترولیز میکروبی، هیدروژن را به صورت انتخابی جدا کنند. در این مطالعه انواع غشاهای مناسب برای جداسازی هیدروژن با مقایسه این دو پارامتر مهم بررسی شدهاند. همچنین در انتها نقشه PFD یک واحد صنعتی که میتواند برای تولید هیدروژن با این روش به کار رود، پیشنهاد شده است.
.1 مقدمه:
سوخت های گازی عمدتا شامل ترکیبات هیدروکربنی , هیدروژن و CO در حالت گازی هستند که انرژی گرمایی آنها توسط فرایند احتراق قابل آزاد سازی است .سوخت های گازی نقطه مقابل سوختهای مایع وجامد میباشند که برای سهولت در حمل و نقل بعضی از آنها را به مایع تبدیل می کنند. هیدروژن به عنوان یکی از پرانرژیترین وپاکترین سوختها برای نسلهای آینده شناخته شده است که به عنوان یک راه حل نوید بخش درمقابل دغدغه اتمام منابع عمل میکند. هیدروژن سوختی دوستدار محیط زیست است که به هنگام سوختن بخارآب و انرژی آزاد میکند و بالاترین انرژی به ازای واحد جرمی برابر 142 kJ/g - معادل - 141079,295 KJ/Kg را داراست. امروزه %40 از هیدروژن از گازهای طبیعی، %30 از نفت سنگین ونفتا، %18 از زغال سنگ، 4% از الکترولیز و %1 از بیومس و… به دست میآید
در سالهای اخیر صنایع پتروشیمی و کودسازی به ترتیب بامصرف %37و %50 از هیدروژن بزرگترین صنایع مصرف کننده هیدروژن به حساب می آیند. فرایندهای مختلفی برای تولید هیدروژن بکار میروند که از آن جمله میتوان به فرآیند های اکسیداسیون جزیی - POX - 2، تریریفورمینگ - TR - 3، اتو ترمال - ATR - 4و ریفورمینگ بخار - SR - 5 و پیل های الکترولیز اشاره کرد.
واحدهای POX وTR و ATR و SR هیدروژن خالص با دبی بالایی میتوانند تولید کنند ولی ضعف این واحدها در بهینه سازی انرژی و خطرات زیست محیطی است. آنچه که دراین مقاله روی آن تمرکز شده است، استفاده ازپیلهای الکترولیزی میکروبی برای تولید هیدروژن خالص و خالص سازی هیدروژن با استفاده از غشاها از ترکیب گازی خروجی پیل های الکترولیزی است که این روش ازلحاظ بهینه سازی انرژی، ارزیابی اقتصادی و اثرات زیست محیطی در مقایسه با دیگر روشها با صرفهتر و دوستدار محیط زیست می باشد.
.2 پیل سوختی:
در سالهای اخیر استفاده ازسوخت های فسیلی مصرف ذخایرانرژی غیر قابل تجدید را سرعت بخشیده است. علاوه براین، افزایش بی سابقه انتشار گازهای گلخانه ای به واسطه اشتعال سوخت های فسیلی سبب گرمایش وتغییرات آب وهوایی در جهان شده است. تکنولوژی بیوانرژی که ازذخایر قابل تجدید مانند فاضلاب برای تولید موادشیمیایی ارزشمند و قابل استفاده به عنوان سوخت استفاده میکند نقش مهمی در کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و کاهش تخریب محیط زیست خواهد داشت.
انواع کاربردی سیستم بیوالکتروشیمیایی - BES - 6 به دو گروه اصلی طبقه بندی میشوند که عبارتند از پیل سوختی میکربی - MFC - 7 و پیل الکترولیزی میکروبی. - MEC - 8 در MFC از فعالیت میکروارگانیسمها می توان الکتریسیته و آب بدون آلودگی محیط زیست بدست آورد. اما در MEC با مصرف جزیی الکتریسیته به عنوان نیرو محرکه، گاز هیدروژن تولید میشود. در ادامه توضیحات کاملی در مورد MEC ارائه خواهد شد.
:MEC .1-2
MEC یک سیستم بیوالکتروشیمیایی است که در آند آن، مواد آلی توسط توده میکروبی مصرف شده و پروتون - H+ - ،الکترون e- - - و CO2 تولید میشود. در قسمت کاتد و در حضور یک کاتالیست الکترونها و پروتونها کاهیده میشوند تا هیدروژن تولید شود. این واکنش یک واکنش خود به خودی نیست و در نتیجه اعمال مقدار جزیی الکتریسته ضروری بوده و فرایند در حضور کاتالیست انجام میپذیرد. MEC میتواند تحت شرایط دمایی محیط و فشار استاندارد کار کند.
طبق آزمایشات انجام شده در MEC علاوه برگازهای H2 و CO2 ، گاز CH4 نیزبراساس واکنش های زیر تولید میشود
Acetoclastic Methanogens
- 1 - CH4 + CO2 → C2H4O2
Hydrogenotrophic Methanogens
- 2 - CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2
مواد آلی و طبیعی مختلفی مانند سلولز، گلوکز، گلیسرول، اسیداستیک، لجن فاضلاب و فاضلابها و پسابهای صنایع مختلف میتوانند به عنوان خوراک درMEC مصرف شده و به هیدروژن تبدیل شوند. همچنین MEC می تواند فراوردههای جانبی از فرایند استات را با بازده بالا - 12 mol H2 /mol glucose - به هیدروژن تبدیل کند. لازم به ذکر است که MEC نیازمند اعمال ولتاژ نسبتا پایینی در بازه 0,2 تا 0,8 ولت بوده که این میزان کمتر از ولتاژ مورد نیاز برای الکترولیزآب که2,1 ولت است، میباشد
