SISTEMA EXPERIMENTAL A PLASMA PARA ESTUDOS SOBRE A PRODUÇÃO DE BIOMETANO Wesley Wilson Rocha 1 ; Paulo Rodrigo Andrade 1 ; Dr.ª Heloisa Regina Turatti Silva 2 ; Dr.ª Paola Egert 3 (orientadora) RESUMO: O trabalho apresenta as etapas da construção e testes de um equipamento montado para construir um sistema experimental a plasma para estudos de viabilidade técnica da produção de biometano, a partir do biogás. Este sistema experimental permitirá o estudo e a otimização de processo a plasma usando descarga de barreira dielétrica DBD, para produção de hidrogênio e gás de síntese, além do biometano, a partir da mistura gasosa (CO2+CH4). Estes estudos contribuirão para a geração de uma fonte renovável de energia, utilizando uma tecnologia inovadora o plasma que, além de apresentar um baixo custo para produzir o biometano, se destaca pela simplicidade de fabricação do reator e pela alta pureza do gás produzido. INTRODUÇÃO A geração de gases derivados da biodegradação de matéria orgânica, como o biogás proveniente de dejetos suínos e aterros sanitários, embora sejam mais desejados devido a não utilização de fontes fósseis, possuem alto grau de impurezas e, portanto, necessitam de tratamentos específicos para conversão de energia. É importante frisar que o Estado de Santa Catarina, a produção de suínos impacta diretamente no meio ambiente, uma vez que estes dejetos têm alto poder de contaminação do solo, mananciais, rios e lençóis freáticos. Muitos criadores de suínos já têm sistemas de tratamento instalados, como lagoas, e outros sistemas anaeróbios para decomposição da matéria orgânica com produção de biogás. O biogás é um recurso energético renovável proveniente de biomassa decomposta por bactérias metanogênicas em meios anaeróbios (sem oxigénio). Esta biomassa é proveniente de aterros sanitários, estações de tratamento de águas residuais e resíduos de indústrias alimentícias e agropecuárias. Segundo PÉRICLES (2011) o biogás gerado é composto basicamente de metano (45% a 65%), dióxido de carbono (35 a 41%), nitrogênio (1 a 17%) e oxigênio (< 1%), além de uma quantidade pequena de uma série de compostos orgânicos como benzeno e tolueno, aldeídos e cetonas, ácidos graxos voláteis, sulfetos e dissulfetos, amônia e aminas. Em função desta alta taxa de metano o biogás pode ser usado como combustível. Mas MONTEIRO (2011) salienta a necessidade de se realizar uma purificação do biogás. Primeiro porque o poder calorífico do biogás com cerca de 60% de metano é de 21,5 MJ/mN, valor baixo quando comparado com o valor apresentado pelo gás natural que é de 37,9 MJ/mN. Logo, para fins comerciais é necessária a busca por um aumento no valor do poder calorífico. Isto é possível através da remoção do dióxido de carbono. Além disso, PÉRICLES (2011) ainda comenta que algumas das impurezas contidas no biogás podem comprometer a vida útil de componentes mecânicos. Tais como o sulfureto de hidrogênio (H2S) que é venenoso por inalação e em solução aquosa é altamente corrosivo. Ou os siloxanos, que são compostos de sílica que podem se depositar nas engrenagens dos motores. 1-Acadêmico de Engenharia Elétrica. 2- Doutora em Ciência e Engenharia de Materiais; Laboratório de plasma da Unisul; heloisa.silva@unisul.br. 3- Doutora em Ciência e Engenharia de Materiais; Laboratório de plasma da Unisul; paola.ortiz@unisul.br.
2 A água, o amoníaco, o oxigênio e o nitrogênio, também são elementos encontrados no biogás e que são extremamente abrasivos ou corrosivos. Em função disto, existem diversos estudos sobre a purificação do biogás. Pode-se encontrar estudos sobre a purificação através do uso de adsorção (HULLU et al, 2008; ABATZOGLOU et al, 2009; CAVENATI et al, 2006). Pode-se também encontrar estudos sobre o uso de membranas na purificação do biogás (DENG, 2010; FAVRE, 2009). Neste caso, o metano não ultrapassa a membrana, ficando retido, mas o CO2 e algumas impurezas são permeáveis, desta forma sendo eliminados da composição. Outros estudos comentam o uso de zeólitas no processo de separação do CO2. Este vem sendo utilizado nos estudos, pois uma adsorção similar é facilmente encontrada na indústria de gás natural (ALONSO-VICARIO, 2010). Mas uma nova linha de estudo que tem se mostrado muito promissora é a utilização da tecnologia de plasma. PERICLES (2011) realizou estudos utilizando um plasma térmico na purificação do biogás. Neste caso, a alta energia do plasma térmico decompõe ou degrada as moléculas formando radicais livres extremamente reativos e instáveis que se recombinam formando novas substâncias. Em seu trabalho ele realizou investigações sobre a identificação e caracterização dos produtos formados no processo. Além disso, também avaliou o efeito da composição da mistura do biogás (CH4/CO2 e impurezas) na percentagem de conversão dos reagentes e na formação de reações secundárias. O uso do plasma térmico também foi investigado por TAO et al (2010). Neste caso, com o objetivo de reduzir o consumo de energia do processo, estes autores optaram por utilizar um sistema binodal, onde são utilizados dois anodos. Mas neste caso os resultados não foram muito positivos, pois a eficiência energética foi baixa. Já GOUJARD (2009), em suas investigações sobre a purificação do biogás usou um plasma não térmico. Neste caso o plasma utilizado foi o de descarga de barreira dielétrica que já é bastante utilizado industrialmente na produção de ozônio. Em seus estudos GOUJARD (2009) buscou a influência da potência da descarga na composição do biogás, o tempo de residência das espécies, a temperatura e a presença de um catalisador na zona de plasma. Este autor obteve excelentes resultados com esta descarga. O potencial deste tipo de plasma tem sido encontrado na literatura (GORDON, 2001; ZHANG, 2010; CALDWELL, 2001, ISTADI, 2007). Diante desse cenário esse projeto se justifica para o estudo de geração de uma fonte renovável de energia, o biometano utilizando uma tecnologia inovadora o plasma gerado por uma descarga corona que, além de apresentar um baixo custo para produzir o biometano, se destaca pela simplicidade de fabricação do reator e pela alta pureza do gás produzido. PALAVRAS-CHAVE Biogás, Plasma, Energia Renovável. MÉTODOS O objeto desta pesquisa é a construção de um sistema experimental a plasma para ser utilizado em estudos futuros sobre a produção de biometano, a partir de biogás. Trata-se, portanto, de uma etapa inicial de um projeto maior que está em desenvolvimento no laboratório de plasmas da Unisul.
3 O sistema construído utiliza um plasma de descarga de barreira dielétrica (DBD) e um reator específico para aplicações em estudos de purificação de biogás e obtenção do biometano, H2 e gases de síntese. No reator de plasma frio, os elétrons acelerados colidem com as moléculas do gás, resultando em excitação, ionização, efeito em cadeia de multiplicação dos elétrons e formação de átomos e espécies metaestáveis. Quando o campo elétrico no gap de descarga (i.e., a distância entre os eletrodos num reator de plasma frio) é suficientemente elevado para causar a quebra na maioria das moléculas que compõe o gás, um grande número de micro descargas é observado. Os átomos ativos e as espécies metaestáveis colidem com outras moléculas, cedendo energia que é suficiente para a quebra e formação de novas ligações num processo de reação em cadeia. A energia produzida para gerar o plasma frio é muito pequena sendo proporcional ao aumento temperatura que fica próxima a 25 C. A descarga é formada através da aplicação de um campo elétrico intenso, o que provoca a formação de auto propagação eletrônica dentro do volume de gás. Uma vez gerado o gás ionizado, os elétrons colidem com as moléculas, criando quimicamente espécies ativas conhecidas como radicais. Os radicais uma vez produzidos quebram as moléculas de gás, facilitando a separação do metano dos outros gases presentes no material de partida, nesse caso o biogás. Com a tecnologia do reator a plasma espera-se reduzir a tempo de reação devido à alta energia proporcionada facilitando os processos de separação do metano dos outros gases presentes no biogás como o CO2 e possíveis impurezas, gerando um biometano com qualidade superior. O plasma também permite que as reações químicas ocorram em temperaturas incrivelmente mais baixas do que nos reatores convencionais, isto torna os gases oriundos do processo, muito puros e quimicamente ativos, o que viabiliza sua transformação em combustíveis limpos. Desta forma, a metodologia empregada no projeto será subdividida nas duas etapas apresentadas a seguir: 1. Projeto do reator a plasma de descarga corona: Nesta etapa foi desenvolvido o projeto do sistema a plasma com uso de descarga DBD e o levantamento dos componentes necessários para a montagem do mesmo. Também foi realizada a aquisição e/ou confecção dos componentes necessários para que a montagem do protótipo. De forma geral, o corpo do reator foi projetado e constituído por um tubo cilíndrico de quartzo de 300 mm de comprimento por 70 mm de diâmetro, revestido por uma tela de aço inox, que servirá como um dos eletrodos; no centro do tubo de quartzo foi fixado um tubo de aço inox 300 mm de comprimento e bitola de 5 mm, constituindo o segundo eletrodo. Destaca-se que o referido tubo é fixo na base do reator com um isolamento elétrico adequado. A entrada e saída dos gases também se darão também na base do sistema. O reator é conectado a uma fonte de corrente alternada com tensão de 17 kv responsável pela ionização do gás para formação do plasma. A Figura 1 mostra um esquema do sistema reator a plasma DBD.
4 Fig 1. Esquema Experimental 2. Montagem do sistema Experimental e Testes preliminares da descarga DBD O projeto do sistema experimental foi então executado, ou seja, o sistema a plasma foi montado. Após, serão realizados testes preliminares sobre os parâmetros que exercem influência na conversão do biogás em biometano, H2 e gases de síntese através da tecnologia do plasma por descarga DBD. Serão realizados ensaios futuros no reator variando parâmetros da descarga como a frequência, voltagem, fluxo de gás e tempo de reação que proporcionem uma melhor taxa de degradação do biogás para formação do biometano, H2 e gases de síntese. RESULTADOS E DISCUSSÃO Apresentamos abaixo as diferentes partes que compõesm o sistema experimental montado neste projeto que permitirá estudos futuros sobre a produção de biometano, H2 e gases de síntese, a partir de biogás.
5 (di discos de inox eletrodo int.) cilindro de quartzo (dielétrico) (di berço do cilindro de quartzo em teflon Saída para os gases tratados Saída para a coleta de amostras Entrada para a fonte de alimentação Saída para a fonte de alimentação Entrada da mistura gasosa As peças foram cuidadosamente desenvolvidas para que o sistema possa operar em pressões abaixo da atmosféricas sem o escape Fig 2. Partes do reator a plasma. CONCLUSÕES: Com a crescente preocupação em diminuir o uso indiscriminado dos combustíveis fósseis, a produção de biometano, hidrogênio e gás de síntese a partir de resíduos, e sua utilização como
6 fonte de energia sustentável trata-se de um setor de grande interesse para a sociedade. A utilização desta modalidade de energia evita que os gases da degradação dos resíduos da civilização caiam diretamente na atmosfera, causando problemas ambientais. O metano expelido, principalmente, por lixões e por regiões agropecuárias, é altamente nocivo ao meio ambiente, uma vez que contribui para o efeito estufa. A utilização dos resíduos orgânicos, em processos de geração de energia, evita a geração de passivos ambientais, uma vez que colabora na redução de emissão de gases que contribuem para efeito estufa, bem como evita a contaminação do lençol freático Assim, o desenvolvimento de tecnologias que contribuam para a produção de combustíveis, a partir dos resíduos oriundos da indústria agroalimentar constitui um tema de grande interesse para o estado de Santa Catarina. Os produtos que serão gerados através do sistema montado, serão obtidos a partir uma tecnologia inovadora e de baixo custo - um plasma gerado a partir de uma descarga de barreira dielétrica. Esta tecnologia oferece características especiais nesta produção, já que o tempo de reação é reduzido e há facilidade na separação do produto, uma vez que o plasma é um ambiente rico em reações que garantem estes resultados. REFERÊNCIAS: ABATZOGLOU, N.; BOIVIN, S. A review of biogas purification processes. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 3, 42-71 (2009). ALONSO-VICARIO, A.; OCHOA-GÓMEZ, J.R.; GIL-Río, S.; GÓMEZ-Jiménez-Aberasturi, O.; RAMÍREZ-LÓPEZ, C.A; TORRECILLA-SORIA, J.; DOMÍNGUEZ, A.; Purification and upgrading of biogas by pressure swing adsorption on synthetic and natural zeolites; Microporous and Mesoporous Materials 134 (2010) 100 107. CALDWELL, T.A.; LE, H.; LOBBAN, L.L.; MALLINSON, R.G.; Partial Oxidation of Methane to Form Synthesis Gas in a Tubular AC Plasma Reactor; Studies in Surface Science and Catalysis; 136 (2001) 265 270. CAVENATI, S. et al. Separation of CH4/CO2/N2 mixtures by layered pressure swing adsorption for upgrade of natural gas. Chemical Engineering Science, 61, 3893-3906 (2006). DENG, L.; HÄGG, M.-B.; Techno-economic evaluation of biogas upgrading process using CO2 facilitated transport membrane; International Journal of Greenhouse Gas Control; Volume 4, Issue 4, July 2010, Pages 638 646. FAVRE; BOUNACEUR,R.; ROIZARD, D.; Biogas, membranes and carbon dioxide capture; Journal of Membrane Science; Volume 328, Issues 1 2, 20 February 2009, Pages 11 14 GORDON, C. L., LOBBAN, L. L.; MALLINSON, R. G.; Selective Hydrogenation of Acetylene to Ethylene During the Conversion of Methane in a Catalytic DC Plasma Reactor, Studies in Surface Science and Catalysis; Volume 136: 2001. GOUJARD, V.; TATIBOUE, J-M; BATIOT-DUPEYRAT, C.; Use of a non-thermal plasma for the production of synthesis gas from biogas; Applied Catalysis A: General 353 (2009) 228 235. HULLU, J. et al. Comparing different biogas upgrading techniques. Eindhoven University of Technology, Eindhoven, 2008.
7 ISTADI; AMIN, N.A.S.; Catalytic-Dielectric Barrier Discharge Plasma Reactor For Methane And Carbon Dioxide Conversion; Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis, 2(2-3), 2007, 37-44 MONTEIRO, S.D.S.C.; Produção de Biometano: Análise de Mercado e Estudo da Separação por PSA; Dissertação de mestrado Integrado em Engenharia Química; Faculdade de Engenharia Universidade de Porto; 2011 PERICLES, I. K.; SOUZA, I.G.; CARASEK, E; DEBACHER, N.A.; Produção de Gás de Síntese por Plasma Térmico via Pirólise de Metano e Dióxido de Carbono; Química Nova, Vol. 34, No. 9, 1491-1495, 2011 TAO, X.; BAI, M.; WU, Q.; HUANG, Z.; YIN, Y.; DAÍ, X.; Int. J. Hydrogen Energy 2009, 34, 9373; WHELESS, E.; PIERCE, J.; Siloxanes in landfill and digester gas update, in: Proceedings SWANA 27th International Landfill Gas Symposium, Solid Waste Association of North America, Texas, 2004. ZHANG, An-Jie; ZHUA, Ai-Min; GUOA, Jun; XUA, Yong; CHUAN Shi; Conversion of greenhouse gases into syngas via combined effects of discharge activation and catalysis; Chemical Engineering Journal 156 (2010) 601 606 FOMENTO O trabalho teve a concessão de Bolsa pelo Programa do Artigo 171 fomentada pela secretaria de educação do estado de Santa Catarina.