Theoretical and experimental study for the design of membrane processes for biogas upgrading to biomethane with simultaneous carbon dioxide recovery
Authors: Κουτσιαντζή Χρυσοβαλάντου 
Published: November 2024

Τις τελευταίες δεκαετίες, παρατηρείται μία αισθητή στροφή στην κυκλική οικονομία: Διαχείριση αποβλήτων, ανανεώσιμη ενέργεια, αποτελεσματική χρησιμοποίηση ενέργειας και έλεγχος των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου αποτελούν μερικές εκ των κυρίων προτεραιοτήτων της ΕΕ. Η παραγωγή βιοαερίου από την αναερόβια χώνευση οργανικών αποβλήτων αποτελεί μια βιολογική επεξεργασία που αφενός παράγει ανανεώσιμη ενέργεια με τη μορφή βιοαερίου και αφετέρου ανακυκλώνει και επαναχρησιμοποιεί οργανικά απόβλητα. Το βιοαέριο αποτελείται κυρίως από 50 - 70 % CH4 και 30 - 50 % CO2, ενώ η διαδικασία διαχωρισμού του CO2 από το βιοαέριο που οδηγεί σε βιομεθάνιο υψηλής καθαρότητας (CH4 > 90 %), ονομάζεται αναβάθμιση βιοαερίου με το προϊόν να μπορεί αντικαταστήσει το φυσικό αέριο ως καύσιμο οχημάτων ή στο δίκτυο φυσικού αερίου. Ο διαχωρισμός CO2 μέσω μεμβρανών αποτελεί μία από τις πιο διαδεδομένες μεθόδους αναβάθμισης βιοαερίου σήμερα. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν ο σχεδιασμός και η ολιστική μελέτη διαφορετικών μονάδων μεμβρανών εργαστηριακής κλίμακας για να επιτευχθεί η λειτουργία μονάδας διαχωρισμού πιλοτικής κλίμακας, με σκοπό την παραγωγή βιομεθανίου και την ταυτόχρονη ανάκτηση διοξειδίου του άνθρακα. Η διεργασία διερευνήθηκε τόσο πειραματικά, σε εργαστηριακό και πιλοτικό επίπεδο όσο και θεωρητικά, με την ανάπτυξη μαθηματικών μοντέλων περιγραφής του διαχωρισμού στο εσωτερικό της μεμβράνης. Στην εργαστηριακή κλίμακα, ο διαχωρισμός πραγματοποιήθηκε σε συνθετικό δυαδικό αέριο μείγμα CO2-CH4. Πραγματοποιήθηκε αξιολόγηση 3 διαφορετικών μεμβρανών κοίλων ινών: 1 πολυσουλφόνης και 2 πολυιμιδίου οι οποίες επιτυγχάνουν υψηλή καθαρότητα CH4 > 95%, με σημαντικές διαφορές στις απώλειες CH4 και την % καθαρότητα CO2 στο ρεύμα διαπέρασης. Πραγματοποιήθηκε εφαρμογή της βέλτιστης μεμβράνης σε συνθετότερες διατάξεις: 2 σταδίων σε σειρά και με ανακυκλοφορία στην είσοδο του 2ου ρεύματος διαπέρασης. Η προσθήκη του 2ου σταδίου οδήγησε σε υψηλότερη καθαρότητας CH4 σε όλο το εύρος πιέσεων διαχωρισμού, ενώ η προσθήκη της ανακυκλοφορίας οδήγησε σε αύξηση της ανάκτησης CH4 σε ένα εύρος συνθηκών. Για την καλύτερη μελέτη του διαχωρισμού μέσω μεμβρανών, αναπτύχθηκαν 4 μαθηματικά μοντέλα ροής: μοντέλο ομορροής μιας διάστασης, μοντέλο εγκάρσιας ροής, μοντέλο πλήρους ανάμιξης και μοντέλο αντιρροής. Η προσομοίωση πραγματοποιήθηκε στο περιβάλλον μαθηματικής υπολογιστικής MATLAB® και στο Microsoft Excel®. Τα αποτελέσματα σύγκρισης έδειξαν ότι καλύτερη ανταπόκριση έχει το μοντέλο εγκάρσιας ροής. Τα αποτελέσματα των εργαστηριακών δοκιμών επαληθεύονται και κατά την κατασκευή και λειτουργία πιλοτικής μονάδας αναβάθμισης βιοαερίου στην Εγκατάσταση Επεξεργασίας Λυμάτων Θεσσαλονίκης (ΕΕΛΘ), με ανάκτηση CH4 ίση με 95.7 %. Με βάση το μοντέλο εγκάρσιας ροής για την περιγραφή της διεργασίας 2 σταδίων, πραγματοποιείται σύγκριση των μαθηματικώς υπολογισμένων αποτελεσμάτων διαχωρισμού τόσο σε δυαδικό μείγμα CH4 – CO2, όσο και στο πραγματικό μίγμα βιοαερίου, με 4 συστατικά CH4 - CO2 - N2 - O2. Επίσης, μέσω του μοντέλου πραγματοποιείται αναγωγή των αποτελεσμάτων της πιλοτικής μονάδας διαχωρισμού σε δυαδικό μείγμα, δίνοντας καθαρότητα CH4 99.8 %, CO2 0.2 % και ανάκτηση μεθανίου ίση με 87.8 % στο τελικό προϊόν. Τέλος, μέσω του υπολογιστικού μοντέλου διερευνάται ο βέλτιστος συνδυασμός θεωρητικών κλασμάτων διαπέρασης για συστήματα πολλαπλών μεμβρανών, ενώ πραγματοποιήθηκε σύγκριση ενεργειακής απόδοσης 3 διαφορετικών διατάξεων: 1 σταδίου, 2 σταδίων, και 2 σταδίων με ανακύκλωση, εκ των οποίων ως η πιο αποδοτική διάταξη στα πλαίσια παραγωγής ενέργειας επιλέχθηκε η μονάδα 2 σταδίων με ανακύκλωση.