Reducción de la contaminación por amonio mediante la retención en biochars procedentes de materias orgánicas residuales

El cambio climático es una de las principales amenazas para el desarrollo sostenible con efectos sobre la economía global, la salud y el bienestar social. Por ello, es necesario actuar para reducir las emisiones a la atmósfera de gases de efecto invernadero (GEI). Una de las causas de este problema se encuentra en la utilización de lodos de depuradora y purines como fertilizantes junto con su almacenaje y transporte. Lo que se pretende en este Trabajo Final de Grado es buscar una alternativa para estos residuos e integrarlos en procesos que permitan aprovecharlos para la reducción de contaminantes. Se conoce que, además de su labor como fertilizante, el char obtenido de la pirólisis de estos residuos sirve también como sólido adsorbente. El objetivo principal del estudio es evaluar la capacidad de adsorción de amonio (NH4+), presente en el líquido procedente de la digestión de purines y lodos, de diferentes chars para reducir la contaminación que causa dicho compuesto en el medio ambiente. Para lograr este objetivo se han utilizado chars procedentes de distintos precursores como residuos vegetales, lodos de depuradora y purines de cerdo y vaca. Todos ellos han sido pirolizados a distintas temperaturas y algunos sometidos a diferentes tratamientos de oxidación. Posteriormente se han realizado experimentos de adsorción en un equipo de cromatografía iónica. Esto ha permitido conocer la capacidad de adsorción de los chars y comprobar la influencia que tienen sobre esta algunos parámetros como el pH, los tratamientos de oxidación (tiempo y % O2) y la temperatura de pirólisis. Las mejores capacidades de adsorción se han dado en el char de purín de cerdo pirolizado a 350 °C en un reactor de lecho fijo y el char de purín de vaca pirolizado también a 350 °C. A esta temperatura de pirólisis se desarrollan grupos oxigenados, que desaparecen conforme dicha temperatura aumenta. Además, estos chars tienen valores de pH intermedios, en torno a 8, a los cuales el NH4+ no se convierte en NH3 y puede adsorberse. En concreto, el valor de las capacidades de adsorción de los chars nombrados son, respectivamente, 2,8 ± 0,3 mg/g y 4,3 ± 0,4 mg/g. Realizando adsorciones con chars de lodos de depuradora sometidos a tratamientos de oxidación se ha comprobado que las condiciones óptimas de activación son 13 % de O2 y 200 °C, en las cuales se desarrollan grupos oxigenados sin llegar a quemar excesivamente la materia orgánica. Una vez seleccionados los chars con mejores comportamientos de adsorción, se determinan las isotermas y cinéticas de adsorción de los mismos. De esta manera se conoce qué modelos describen mejor el proceso de adsorción de dichos chars. Por lo general, los datos se ajustan de forma adecuada a las isotermas de Langmuir y/o Freundlich. El equilibrio se alcanza en tiempos alrededor de los 600 minutos. Los resultados obtenidos muestran que el proceso de adsorción de NH4+ en biochar es posible y que se obtiene mejor capacidad de adsorción con un biochar obtenido a partir de purines animales. De esta forma se permite dar un segundo uso al biochar aparte de su aplicación al suelo y utilizar el líquido rico en NH4+ como agua de riego una vez se haya hecho la adsorción.<br /

Analysis of manure digestate and its major components as adsorbents solids for biogas cleaningcx

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Estudio de la capacidad de adsorción de CO2 de los sólidos de pirólisis de los componentes mayoritarios de harinas cárnicas y residuos agrícolas

Dos de los principales residuos que se producen en zonas de ganadería y agricultura intensiva son los subproductos de origen animal (harinas cárnicas) y los residuos agrícolas. Actualmente, la gestión de las harinas cárnicas se limita a depositarlas en vertederos o incinerarlas. Respecto a los residuos agrícolas, sus destinos más habituales son la reincorporación directa al suelo, la alimentación animal, la quema y el abandono. La gestión de ambos residuos conlleva un gran impacto medioambiental y, por ello, una de las alternativas de gestión es utilizarlos en la producción de biogás mediante digestión anaerobia.Para mejorar esto, se propone integrar una etapa de pirólisis junto al digestor anaerobio donde se tratan los residuos para producir biogás. En la pirólisis se obtiene un producto gaseoso, un producto líquido y un producto sólido. Este último, denominado char, se pretende usar como sólido adsorbente de bajo coste para contaminantes presentes en el biogás producido en la propia instalación. Así, en este trabajo se pretende profundizar en el estudio de la pirólisis y evaluar la capacidad de adsorción de CO2 de las harinas cárnicas y los residuos agrícolas, analizando el efecto individual de sus componentes mayoritarios, como la celulosa en el caso de residuos agrícolas, e hidroxiapatita y colágeno en el caso de las harinas cárnicas, además de estudiar específicamente estas últimas.Se ha realizado la pirólisis de celulosa, hidroxiapatita, colágeno y harinas cárnicas en un reactor de lecho fijo a tres temperaturas distintas, 350 °C, 550 °C y 750 °C, con la finalidad de comprobar el efecto que tiene sobre los rendimientos a productos y sobre las características del char obtenido, especialmente sobre su capacidad de adsorción.Tras la pirólisis, se lleva a cabo la caracterización del char y el gas de pirólisis. Esto permite conocer los compuestos mayoritarios generados en la pirólisis, el poder calorífico inferior del gas producido, las propiedades texturales del char y los grupos funcionales presentes en su superficie.Por último, se realizan experimentos de adsorción de CO2 en lecho fijo con los char obtenidos en la pirólisis a distintas temperaturas de los materiales mencionados anteriormente. Los ensayos se realizan a temperatura ambiente y se hacen pasar por el lecho diferentes concentraciones de CO2, con el objetivo de obtener la isoterma de adsorción de cada material. La evolución que experimentan los gases durante la adsorción se obtiene mediante un espectrómetro de masas. Los mejores resultados de adsorción se consiguen con el char de celulosa pirolizado a 750 °C, que muestra una capacidad de adsorción de 78,3 ± 0,7 mg CO2/g char. Este char también cuenta con la superficie específica más alta en comparación con el resto de los materiales estudiados. Además de los ensayos mencionados en lecho fijo, se llevan a cabo tanto la pirólisis como la adsorción de CO2 en una termobalanza. De esta forma se puede comparar los resultados obtenidos con ambos procedimientos experimentales y comentar sus diferencias. Las isotermas obtenidas en termobalanza se ajustan a los modelos de Langmuir y Freundlich y se comprueba que ambos describen bien la adsorción de CO2 en los materiales estudiados.Los resultados obtenidos muestran que todos los char son capaces de adsorber CO2, pero dado que en el proceso de obtención de dichos materiales se produce también CO2 es necesario comparar ambas cantidades. A partir de esto, se observa que ningún char es capaz de adsorber más CO2 del que produce en su pirólisis. También se observa que el colágeno, al ser el principal componente de las harinas cárnicas, tiene un efecto determinante en el comportamiento de estas durante su pirólisis y en su capacidad de adsorción. Por último, cabe comentar que la hidroxiapatita no ha mostrado buenos resultados de adsorción dado que apenas se degradada durante la pirólisis a las temperaturas estudiadas.<br /

CO2 adsorption on pyrolysis char from protein-containing livestock waste: How do proteins affect?

Biogas generation through anaerobic digestion provides an interesting opportunity to valorize some types of animal waste materials whose management is increasingly complicated by legal and environmental restrictions. To successfully expand anaerobic digestion in livestock areas, operational issues such as digestate management must be addressed in an economical and environmentally sustainable way. Biogas upgrading is another necessary stage before intending it to add-value applications. The high concentration of CO2 in biogas results in a reduced caloric value, so the removal of CO2 would be beneficial for most end-users. The current work evaluates the CO2 uptake properties (thermogravimetry study) of low-cost adsorbent materials produced from the animal wastes generated in the livestock area itself, specifically via pyrolysis of poorly biodegradable materials, such as meat and bone meal, and the digestate from manure anaerobic digestion. Therefore, the new element in this study with respect to other studies found in the literature related to biochar-based CO2 adsorption performance is the presence of high content of pyrolyzed proteins in the adsorbent material. In this work, pyrolyzed chars from both meat and bone meal and co-digested manure have been proven to adsorb CO2 reversibly, and also the chars produced from their representative pure proteins (collagen and soybean protein), which were evaluated as model compounds for a better understanding of the individual performance of proteins. The ultra-microporosity developed in the protein chars during pyrolysis seems to be the main explanation for such CO2 uptake capacities, while neither the BET surface area nor N-functionalities on the char surface can properly explain the observed results. Although the CO2 adsorption capacities of these pristine chars (6–41.0 mg CO2/g char) are far away from data of commercially activated carbons (~80 mg CO2/g char), this application opens a new via to integrate and valorize these wastes in the circular economy of the primary sector

Influence of NH3 CO2 activation on the CO2 H2S adsorption capacity of cellulose char

Anaerobic co-digestion is an attractive opportunity for the energetic valorization of several organic residues generated in the livestock and agricultural sector. A combustible biogas is obtained, that could be used as a source of energy on the farm. The biogas is mainly composed of CH4, CO2 and trace amounts of other components such as H2S. However, to reduce gas emissions&nbsp; and broaden the application of biogas as a fuel or as bio-methane, the concentration of CO2 and H2S must be decreased.&nbsp;This study examines the effect of NH3 functionalization and/or CO2 activation (at 700&nbsp;ºC) of cellulose pyrolysis chars (produced at 750&nbsp;ºC) on the adsorption of CO2 and H2S from a gas stream

Estudio de la capacidad de adsorción de H2S del producto sólido de pirólisis producido a partir de los principales componentes del digestato de purín

Análisis del efecto de la composición de la fracción orgánica del digestato de purín sobre la capacidad de adsorción del H2S a 25 °C del producto sólido (char) de pirólisis producido a partir de los principales componentes del digestato de purín (celulosa, lignina, proteína de soja

Análisis de la capacidad de adsorción de CO2 del char de pirólisis obtenido a partir de los componentes mayoritarios del purín

Análisis de la capacidad de adsorción del CO2 a 25 °C del producto sólido (char) de pirólisis producido a partir de los principales componentes del digestato de purín, como son la celulosa, la lignina, la proteína de soja y el CaCO3 a tres temperaturas diferentes de pirólisis

Experimental study of co-pyrolysis of polyethylene/sawdust mixtures

A study of the behavior of the thermal decomposition of mixtures of biomass and thermoplastics, such as polyethylene, is of interest for processes for the thermal recovery of industrial and urban wastes such as pyrolysis or gasification. No solid residue is formed during the thermal degradation of pure polyethylene. However, the addition of biomass, which generates char can vary the product distribution and increase the heating value of the gas obtained. A study of the thermal degradation of pine sawdust, polyethylene and mixtures of polyethylene and pine sawdust has been carried out in a fluidized bed reactor. Experiments were carried out at five different temperatures: 640, 685, 730, 780, and 850 ºC. The yields and composition of the derived oil, wax, and gas were determined. The addition of polyethylene increases the gas production and decreases the production of waxes and liquids for the different temperatures tested. The main gases produced from the co-pyrolysis process were, at low temperatures, carbon monoxide ethylene, carbon dioxide, propylene, butadiene, methane and pentadiene while at high temperatures the gas composition changed drastically, the main components being carbon monoxide (more than 33 wt.%), ethylene, methane benzene and hydrogen. The analysis of the liquid fraction shows a decrease of the concentration of oxygenated and aliphatic compounds

EXPERIMENTAL STUDY OF CO-PYROLYSIS OF POLYETHYLENE/SAWDUST MIXTURES by

A study of the behavior of the thermal decomposition of mixtures of biomass and thermoplastics, such as polyethylene, is of interest for processes for the thermal recovery of industrial and urban wastes such as pyrolysis or gasification. No solid residue is formed during the thermal degradation of pure polyethylene. However, the addition of biomass,which generates char, can vary the product distribution and increase the heating value of the gas obtained. A study of the thermal degradation of pine sawdust, polyethylene and mixtures of polyethylene and pine sawdust has been carried out in a fluidised bed reactor. Experiments were carried out at five differen