최적화된 Ni를 통한 이중 통과 작동을 갖춘 프로토타입 반응기에서 CO2의 수소화를 통해 바이오가스 내 메탄 업그레이드

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9342(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

CO2의 수소화에 의한 바이오가스 내 메탄의 업그레이드는 현재 재생 가능한 수소 에너지 저장 및 온실가스 배출 저감에 대한 잠재적인 이점과 함께 재생 가능한 바이오가스의 효율적이고 완전한 활용을 위한 유망한 경로로 인식되어 왔습니다. 바이오가스의 주성분인 CO2는 수소화에 의해 추가 CH4를 형성하는 중추 역할을 하여 더 많은 양의 바이오메탄을 생산할 수 있습니다. 본 연구에서는 최적화된 Ni-Ce/Al-MCM-41 촉매를 사용하여 수직 정렬을 갖춘 이중 통과 작동의 프로토타입 반응기에서 업그레이드 프로세스를 조사했습니다. 실험 결과는 운전 중 수증기를 제거하는 이중 통과 작업이 CO2 전환율을 크게 증가시켜 CH4 생산 수율을 높일 수 있음을 보여줍니다. 그 결과, 싱글패스 운전에 비해 바이오메탄 순도가 15% 높아졌다. 또한, 유량(77~1108 ml min−1), 압력(1 atm~20 bar), 온도(200~500 °C) 등 조사된 조건 범위 내에서 공정의 최적 조건 검색이 수행되었습니다. 구해진 최적 조건을 이용하여 458시간 동안의 내구성 시험을 실시하였고, 관찰된 촉매 특성의 변화에 따라 최적화된 촉매가 거의 영향을 주지 않고 우수한 안정성을 발휘할 수 있음을 보여주었다. 새로운 촉매와 사용된 촉매의 물리화학적 특성에 대한 포괄적인 특성화가 수행되었으며 그 결과가 논의되었습니다.

현재 태양에너지, 풍력, 지열, 수력, 고체 바이오매스, 액체 바이오연료, 바이오가스와 같은 재생에너지 자원은 화석 기반 에너지 자원을 대체할 수 있는 잠재적 후보로 널리 인식되고 있습니다. 이러한 후보 중에서 바이오가스는 최근 농업 잔재물, 동물 분뇨, 폐수 슬러지 및 산업 폐기물을 포함한 도시 고형 폐기물(MSW)의 유기물과 같은 유기 물질을 혐기성 소화하는 기존 공정으로 주로 생산할 수 있는 새로운 재생 에너지로 간주됩니다. 폐기물. 유럽, 중국, 미국의 전 세계 바이오가스 생산량은 90%를 차지하고 나머지 절반 정도는 태국, 인도 등 아시아에서 생산됩니다1. 태국에서는 바이오가스가 전분 공장, 바이오 연료 산업, 축산 농장에서 생산됩니다1. 2019~2023년 동안 인도는 압축 바이오메탄 가스(CBG)1 5000개의 신규 공장을 가동할 계획이었습니다. 현재 바이오가스 소비량은 미미하지만, 국제에너지기구(IEA)1에 따르면 전체 에너지 시스템을 변화시킬 수 있는 잠재력이 높습니다. 또한, 세계바이오가스협회(2019)는 바이오가스를 활용하면 현재 전 세계 온실가스(GHG) 배출량의 약 10~13%를 줄일 수 있다고 보고했습니다2. 2018년에는 바이오가스의 거의 60%가 발전과 열 공급에 활용되었습니다. 그러나 바이오가스에 포함된 메탄을 바이오메탄으로 업그레이드하는 것은 글로벌 성장의 중요한 기술 경로가 될 수 있습니다1. 바이오가스는 주로 50~70%v/v의 메탄(CH4), 30~50%v/v의 이산화탄소(CO2), 그리고 질소(N2), 산소(O2), 황화수소(H2S), 그리고 습도3. 물 세정, 압력 변동 흡착, 화학적 처리 등 CO2 분리를 통해 바이오메탄을 생산하는 업그레이드를 위한 여러 가지 기존 기술이 있습니다3. 이러한 전통적인 방법을 통해 CO2는 폐기되고 바이오메탄만 가스 네트워크에 공급됩니다4. 일반적으로 분리 공정에는 고압이나 추가 화학 물질이 필요하므로 비용이 많이 듭니다3. 최근에는 바이오가스 내 CO2의 수소화를 통해 바이오메탄을 생산하는 것이 재생 에너지 저장 및 CO2 배출 저감에 대한 이점과 함께 바이오가스를 완전히 활용하는 유망한 방법이라는 것이 인식되었습니다. 천연가스를 대체할 바이오메탄을 생산하는 여러 상업 시설은 현재 덴마크, 스웨덴, 독일, 네덜란드에 위치해 있습니다4.

100 bar) to obtain only moderate density of energy4. Meanwhile, methane is considered a common energy carrier4. Methane has three-fold energy density with respect to hydrogen, while the facilities and infrastructure for transport and storage of methane are well-established4. Storing hydrogen in a form of methane, also known as power to methane (PtM) technology, can be achieved by hydrogenation of CO2 or Sabatier reaction6. Currently, electrolysis and hydrogenation of CO2 have shown high efficiencies of 65–85% and 77–83%, respectively6./p> Fe > Ni > Co > Mo) with the highest selectivity for CH4 formation (Ni > Co > Fe > Ru)11. In addition, its availability and economical prices make it widely used in industries. Nickel can be supported on various metal oxides (i.e., Al2O3, SiO2, etc.) to increase its dispersion. Recently, it is reported that nickel supported on cerium oxide (CeO2) exhibits an excellent performance catalyst for hydrogenation of CO2 into CH412,13. The reversible valence change (Ce4+ and Ce3+) of CeO2 with high oxygen transport capacity provides unique properties such as high oxygen lattice concentration, high oxygen vacancies, and basic surface for CO2 adsorption that are useful for catalysis applications14. It recently reported that CeO2 supported with Ni catalysts exhibits a superior activity for hydrogenation of CO2 than other metal oxides15. However, CeO2 materials which are rare earth metal oxide, are expensive and low surface area materials. The high surface area support materials [mesoporous silica, metal organic framework (MOF), carbon, etc.,] with low prices would be preferred. The MOF structure is limited to low temperature reaction, while carbon supports show low performance for hydrogenation of CO2. Recently, mesoporous silica such as Mobil Composition of Matter No. 41 (MCM-41), containing aluminum (Al-MCM-41) could be prepared from abundant and cheap natural kaolin16. The use of Al-MCM-41 as catalyst support coupled with cerium promoter would be promising for hydrogenation of CO216. In our previous work, the formula of Ni-Ce/Al-MCM-41 has been optimized for the hydrogenation of CO217. However, the parameters including pressure, temperature, and feed flowrate are required for further fine-tuning to obtain the optimum condition./p> 80% with high CH4 selectivity ca. 100% (Fig. 2), but also the contents of methane are high at 77–81% (Fig. 3). In addition, the temperature range of 350–400 °C provided only small CO content less than 0.20%. More specifically, low temperature range of 200–325 °C produced the extremely low CO content of 0.00–0.10%, while high temperature range of 425–500 °C produced slightly higher CO content of 0.26–1.57%. Consequently, the suitable operation temperature was chosen at moderate temperature of 350 °C, and then for the further tests./p> 50 nm)25. This combined structure of mesopore and macropore is related to a broad pore size distribution shown in Fig. 11b. The hysteresis starting at a relatively high relative pressure (p/p0 > 0.5) is an indication of delayed condensation on the adsorption branch. In addition, the hysteresis exhibiting a steep and narrow loop represents a H1 type hysteresis loop24. The materials with type H1 loop would have uniform mesopores, such as mesoporous silicas (e.g., MCM-41, MCM-48, SBA-15, etc.)24,26. This confirms the existence of Al-MCM-41 and contribution of its mesoporous structure./p> 100%) would be caused by the oxidation of Ni metals. In Fig. 13a, it was found that the spent catalysts from the reactor #1 (SR1) gained the weight at the temperature range of 280–540 °C, representing the oxidation zone of Ni, while a slight decrease in weight of sample was observed at 540–725 °C, indicating the combustion zone. Since the amount of oxidation phase is larger than those of combustion component, the final weight of samples is more than 100%. In addition, the final weight gain of samples shows an increasing trend of 0.85, 2.09, and 2.11% for the samples collected from top, middle, and bottom position, respectively, corresponding to the different amount of carbon deposition as confirmed by Raman analyses (Fig. 14). Figure 13b shows the TGA profiles of samples collected from the reactor #2. It was found that weight loss was observed in all samples. The carbon deposition was clearly observed in the reactor #2, caused by methane decomposition./p>