Cod
proiect: Proiect Plan
Sectorial 1PS/09.11.2021
Nr.
contractului:
Titlul
proiectului: Dezvoltarea
tehnologiilor inovative utilizând inteligenṭa artificială pentru
valorificarea biomasei din arealele lacustre în vederea susṭinerii
durabile a energiei verzi
Acronimul
proiectului:
Valoarea
totală din fonduri bugetare a proiectului: 349224 lei
Termen
finalizare: 31.03.2023
Instituțiile
implicate:
CO – Universitatea POLITEHNICA din București / UPB
P1 – Institutul Național de
Cercetare-Dezvoltare pentru Maṣini ṣi Instalaṭii destinate
Agriculturii ṣi Industriei Alimentare – INMA Bucureṣti / INMA
P2 – Institutul Național de
Cercetare-Dezvoltare „Delta Dunării” Tulcea/ INCDDD
P3 – Institutul Național de Cercetare- Dezvoltare pentru Chimie ṣi
Petrochimie ICECHIM Bucureṣti / ICECHIM
P4 – Universitatea „Dunărea de Jos” din
Galaṭi / UDJG
P5 – Institutul
Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Electrochimie ṣi Materie
Condensată – INCEMC Timiṣoara / INCEMC
P6 – Institutul Național de
Cercetare-Dezvoltare pentru Inginerie Electrică ICPE-CA București
Abstract:
Obiectivul
proiectului:
Rezultate
estimate:
Echipa:
1. CS I Dr.
Ing. Balcu Ionel - Director de proiect
2. CS III Dr. Ing. Macarie Corina - Cercetător
3. CS I Dr. Ing. Țăranu Ioan - Cercetător
4. CS III Dr. Ing. Iorga Mirela - Cercetător
5. Dr. Chim. Neda
Ioan - Cercetător
6. Dr. Ing. Mirica Nicolae - Cercetător
7. Dr. Ing. Buzatu Doru - Cercetător
8. Dr. Chim. Novaconi
Ștefan - Cercetător
9. Dr. Fiz. Sfirloagă Paula
Raport asupra tehnologiilor de procesare a biomasei
active cu producerea de energie verde
-
Raport
asupra tehnologiilor de procesare a biomasei active cu producerea de energie
verde, prin realizarea
unui studiu documentar ce a vizat analiza și rolul biomasei acvatice cu
producere de energie verde precum și tehnologiile de procesare a acestuia.
-
Studii
referitoare la tehnologiile comune ale biomasei lignocelulozice prin celuloliza
și gazeificare cu avantajele și dezavantajele fiecăruia. Au fost
atinse și abordări microbiene- Abordarea electrochimică la
temperatură joasă a producției de biomasă la hidrogen
și Electroliza la temperatură joasă: de la biomasa la hidrogen.
Metoda celulolitică (calea biologică)
Această metodă cuprinde cinci etape:
1. Pretratarea, pentru a facilita hidroliza materialului
lignocelulozic, cum sunt de exemplu lemnul sau paiele;
2. Hidroliza celulozei (celuloliza), pentru a desface
moleculele de celuloză în zaharuri fermentescibile;
3. Separarea soluţiei de zahăr din materialul
rezidual (lignina);
4. Fermentarea microbiană a soluţiei de
zahăr;
5. Distilarea (pentru a obţine alcool de puritate
99.5%).
Reprezentarea schematică a metodei celulolitice
TEHNOLOGII DE PROCESARE
Celuloliza:
procedeu care constă din hidroliza materialelor lignocelulozice
pretratate, urmată de fermentare şi distilare;
Gazificarea: metoda prin care lignoceluloza este transformată în monoxid de
carbon şi hidrogen, prin fermentare sau prin cataliză
termochimică (proces Fischer-Tropsch), gaze care apoi pot fi convertite la
etanol
Avantaje - prin oricarea
dintre cele două metodele de obţinere a etanolului celulozic nu se
generează emisii toxice, iar utilizarea etanolului celulozic drept
combustibil conduce la o diminuarea a emisiilor de gaze cu efect de seră
cu aproximativ 80%, comparativ cu situaţia în care s-ar folosi
benzină.
Dezavantajul major este reprezentat de costurile mult mai ridicate pe
care le impune sinteza etanolului celulozic, comparativ cu prepararea
etanolului din zaharoză. Aceasta se datorează faptului că cea
mai mare parte a studiilor efectuate au la bază procese enzimatice, care
conduc la sinteza etanolului celulozic în concentraţii scăzute.
Elaborarea soluției tehnice (specificație
tehnică de implementare)
Biomasa lignocelulozei este alcatuită din trei
compuşi principali: celuloza (40-50%), hemiceluloza (25-35%), lignina
(15-20%) şi cantitaţi mici de proteine, lipide (ceruri, uleiuri),
acizi, săruri minerale
Specificație
Pretratarea biomasei, este o etapă
foarte importanta în obţinerea bioetanolului reprezentând
aproximativ 30% din costul total.
Acesta se caracterizează prin simplitate şi
eficienţă, reducerea timpului de reacţie, utilizarea unor reactivi chimici ieftini şi se
evită degradarea monozaharidelor şi formarea produşilor
intermediari furani şi fenoli
compuşi ce inhibă procesul de fermentare, diminuând în acest fel
randamentul etanolului.
În etapa de fractionare (pretratare) are loc
solubilizarea totală sau parţială a ligninei şi
hemicelulozei.
Umiditatea este o proprietate a biomasei foarte importantă de care depinde
proiectarea instalaţiei şi desfăşurarea întregului proces
de obţinere a bioetanolului. Procentul de umiditate nu trebuie să
depăşească 40% din masă.
Cu cât umiditatea este mai mare cu atât puterea calorică
este mai mică.
Componentele principale ale
biomasei lignocelulozice
Pretratarea
combinată cu acid şi
microunde, permite
pretratarea substratului lignocelulozic într-o singură etapă, la o
temperatură de peste 100°C şi într-un interval de timp de până
la 30 minute, cu randamente de până la 50%.
Prin creşterea temperaturii de pretratare a crescut
cantitatea de zaharuri obţinută.
Prin pretratarea combinată cu acid şi microunde
a biomasei se evită degradarea monozaharidelor şi formarea
produşilor intermediari furani şi fenoli compuşi ce inhibă
procesul de fermentare, diminuând în acest fel randamentul etanolului. Formarea
acestor inhibitori este favorizată de hidroliza care are loc la
temperaturi ridicate şi acizi concentraţi care inhibă fermentarea.
Pretratarea biomasei lignocelulozice prin liofilizare la un procedeu de
fractionare a lignocelulozei în bipolimerii constituenţi pentru a facilita
atacul enzimatic, în mediu slab acid sau bazic, la temperatură şi
presiune scăzută.
Comparativ cu metodele chimice tradiţionale de
pretratare, procedeul de fracţionare a lignocelulozei are urmatoarele avantaje:
q utilizarea exclusivă a unor reactivi ieftini;
q reducerea consumului de reactivi;
q desfăşurarea procesului într-o singură
etapă;
q randament ridicat
de obţinere a monozaharidelor (pentoze si hexoze) din lignoceluloză;
q cost redus;
q nu necesită
recuperarea acidului; simplitate şi eficienţă;
Dintre variantele de electroliza a solutiilor rezultate
de la tratarea biomasei, aflate in studiu, la ora actuala cel mai aproape de a
fi realizate este electroliza directa a acestei solutii intr-un electrolizor
necompartiment in care sa fie evitata degajarea oxigenului atat prin compozitia
potrivita a electrolitului cat si prin alegerea unei solutii constructive
inovative. Tehnica propusa este utilizata pentru prima data in acest context,
al obtinerii H2 ului din solutii obtinute din biomasa.
In acest context pentru electroliza solutiei de biomasa
prelucrata propunerea noastra este:
Utilizarea unui electrolizor fara separarea spatiilor
electrodice
Electrolitul va fi Solutia
rezultata de la tratarea biomasei
Se va modifica pH – ul acestei
solutii cu NaOH sau KOH (se va asigura o concentratie a NaOH/KOH de cca. 0.1M)
Se valucra cu electrozi de nichel
– atat anodul cat si catodul)
Se va asigura un raport Sa/Sc
cuprins intre 5 si 25
Temperatura de lucruva fi
cuprinsa intre 20 si 50 ᵒC
Se valucra sub agitare
Electrolizorul va fi cu
functionare continua – se va asigura astfel o compozitie cat mai constanta a
electrolitului.
Densitatea de curent anodica
Faza I/2022: 09.12.2021 – 30.05.2022
Dezvoltarea unei tehnologii inovative de valorificare a
biomasei utilizând inteligența artificială
Obținerea unui material cu proprietăți
speciale destinat susținerii energiei verzi
Procesul de măcinare a biomasei
|
|
|
Caracteristicile tehnice ale
morii de mărunţire sunt: turaţia rotorului-227 rot/min; nr.de
corp rotor- 15 buc; nr. de cuţite fixe-4 buc; nr. de cuţite pe
rotor-45 buc; dimensiunile camerei de măcinare-266x428x210 mm
|
|
|
|
Moara de cuțit Retsch
grindomix GM 200 a fost folosită pentru măcinarea mult mai fină
a materiei prime cu două lame ascuțite, robuste și un motor
puternic de 1000 W. Permite procesarea rapidă și reproductibilă
a unor volume de eșantion de până la 0,7 litri.
Caracterizarea fizico-chimică a biomasei
Umiditatea
Reprezentarea grafică a
umidităţii în funcţie de tipul biomasei
Conţinutul de solide totale
Reprezentarea grafică a
conţinutului de solide totale în funcţie de tipul biomasei
Determinarea carbonului organic total
Tabelul 1.
Rezultatele determinării conţinutului de carbon total (TC) din
probele analizate
|
Probă |
TC (mg) |
greutatea (mg) |
|
Stuf Delta |
14.756 |
0.03040 |
|
Stuf TM |
14.48 |
0.02980 |
Tabelul 2.
Rezultatele determinării conţinutului de carbon anorganic (IC)
din probele analizate
|
Probă |
IC (mg) |
greutatea (mg) |
|
Stuf Delta |
0.02117 |
0.02390 |
|
Stuf TM |
0.02396 |
0.02440 |
Tabelul 3. Valorile carbonului organic total din
probele de stuf
|
Probă |
TOC (mg) |
|
Stuf Delta |
14.73483 |
|
Stuf TM |
14.45604 |
Spectroscopie de absorbţie atomică
|
Cuptor MWS – 2 |
Sistem DAP-60K suport cu 10
cuve din teflon |
Prinderea cuvelor dupǎ introducerea
probelor |
Valorile metalelor grele
din probele de stuf
|
Nr |
Proba |
Zn, mg/g |
Pb, µg/g |
Cd, µg/g |
Co, µg/g |
Cr, µg/g |
Fe, mg/g |
|
1 |
Stuf Deltă |
0.1666 |
0 |
0 |
0.1148 |
1.5688 |
0.07536 |
|
2 |
Stuf Timiș |
0.2505 |
0.06913 |
0.0071 |
0.04619 |
2.6077 |
0.1846 |
Probele de au fost studiate
prin spectroscopie de absorbţie atomică pentru a pune în
evidenţă eventuala prezenţă a metalelor, inclusiv metale
grele (Zn, Pb, Cd,Co, Cr si Fe,). S-a constatat că distribuţia
metalelor variază de la o probă la alta şi depinde şi de
locul de unde s-a prelevat proba
Există diferențe în
ceea ce privește conținutul de metale grele la cele doua probe de
stuf. Concentraţia metalelor gele este mult mai mare în proba de stuf
provenită din Timiș față cea din Deltă.
Analize stucturale și morfologice
Spectroscopie FT-IR
Spectroscopie FT-IR pentru
stuful din Deltă
Spectroscopie FT-IR pentru
stuful din Timiș
Spectroscopie FT-IR pentru
stuful din Delta și Timiș
Analiza calitativă prin microscopie electronică
de baleiaj/EDAX
Proba recoltata din Deltă
Analiza semicantitativă
realizată prin EDX
Compoziția elementală
stufului recoltat din Deltă
|
Element |
Elem Wt % |
At % |
|
C K |
35.65 |
46.32 |
|
O K |
42.70 |
41.65 |
|
AlK |
0.32 |
0.18 |
|
SiK |
21.33 |
11.85 |
|
Total |
100.00 |
100.00 |
|
|
|
Analiza calitativă s-a
realizat la diferite magnificații, pentru a pune în evidență morfologia
suprafeței, care are aspect de microfibre. Acestea sunt compuse din
numeroase nanofibrile de celuloză strâns legate.
Analize stucturale și morfologice
Proba recoltată din Timiș
Analiza semicantitativă
realizată prin EDX
Compoziția elementală
stufului recoltat din Timiș
|
Element |
Elem Wt % |
At % |
|
C K |
55.09 |
65.50 |
|
O K |
30.99 |
27.66 |
|
CuL |
1.27 |
0.29 |
|
AlK |
7.49 |
3.96 |
|
SiK |
4.74 |
2.41 |
|
S K |
0.17 |
0.07 |
|
ClK |
0.25 |
0.10 |
|
Total |
100.00 |
100.00 |
Analiza calitativă pentru
stuful din Jud. Timiș, a arătăt că morfologia
suprafeței se prezintă sub formă de fagure și microfire
Procesul de fermentație
Biomasa
mărunțită în prealabil, a fost pretratata mecanic (pentru
reducerea dimensiunii la 2-4 mm) și termic la tempartura de 130 °C (în abur), 1atm, timp de 3 ore.
În procesul de fermentație
anaerobă pentru stuful de Dunare, s-au utilizat două tipuri de
inoculi:
•
Inocul 1: pH mediu –– 6.5 – 6.8 după
stabilizare
•
Inocul 2: pH mediu –– 6.8 – 7.2 după
stabilizare.
Valoarea pH-ului a fost
obținută utilizând 1.5 ml NH3 20% concentrație / litru de suspensie.
|
|
|
Instalație de
fermentație
|
|
|
Soluția rezultată din
fermentare cu inocul 1, inainte si dupa filtrare
|
|
|
Soluția rezultată din
fermentare cu inocul 2, înainte și după filtrare
Voltametria ciclică. Metodă de studiu pentru
procesul de degajare a hidrogenului din soluții obținute prin
tratarea enzimatică a stufului din Delta Dunării
Studiile s-au făcut
folosind un potențiostat PGZ 402 Radiometer Analytical folosind un montaj
clasic de studii electrochimice cu 3 electrozi. Pentru început am investigat
comportarea ambelor soluții obținute pe electrod de nichel lucios, contraelectrod
platina și electrod de referință ESC.
Inocul 1; Curba de bază;
pH=7; Electrod Ni (S = 1 cm2), volum soluție = 32 mL;v = 50
mV/s; interval de lucru - 0 ÷ 800 mV; Referință = SCE; contraelectrod
= Pt placă (S = 0,8 cm2); temperatura 23°C.
Inocul 2; Curba de bază;
pH=7,6; Electrod Ni (S = 1 cm2), volum soluție = 32 mL; v = 50
mV/s; interval 0 ÷ 800 mV; Referință = SCE;
contraelectrod = Pt (S = 0,8 cm2);
temperatura 23°C.
Inocul 1 + Inocul 2; Curbe de
baza; Electrod Ni (S=1cm2), volum soluție = 32 mL; v = 50 mV/s;
interval 0 ÷ 800 mV; Referință = SCE; contraelectrod = Pt (S=1 cm2);
temperatura 23°C. Albastru = Inocul 1, roșu = Inocul 2.
Voltametria ciclică. Metodă de studiu pentru
procesul de degajare a hidrogenului
Inocul 1; pH = 12,8 (NaOH);
Electrod Ni (S=1cm2), volum soluție = 32 mL; v = 50 mV/s;
interval 0 ÷ 800 mV; Referință = SCE; contraelectrod = Pt (S=1 cm2);
temperatura 23°C. Ciclul 2
Inocul 1; pH = 12,8 (NaOH);
Electrod Ni (S=1cm2), volum soluție = 32 mL; v = 50 mV/s;
interval 0 ÷ 800 mV; Referință = SCE; contraelectrod = Pt (S=1 cm2);
temperatura 23°C. 5 cicluri.
Inocul 1; pH = 12,8 (NaOH);
Electrod Ni (S=1cm2), volum soluție = 32 mL; v = 50 mV/s;
interval 0 ÷ -1450 mV; Referință = SCE; contraelectrod = Pt (S=1 cm2);
temperatura 23°C. Ciclul 2 sens catodic
Inocul 1; pH = 12,8 (NaOH);
Electrod Ni (S=1cm2), volum soluție inițială = 32 mL;
v = 50 mV/s; interval 0 ÷ 800 mV. Referință = SCE; contraelectrod =
Pt (S=1 cm2); temperatura 23°C. 1. Albastru - fără etanol.
2. Roșu + 0.53M EtOH. 3. Verde + 1.49M EtOH. 4. Negru + 2.35M EtOH.
Inocul 2; pH = 12,45 (NaOH);
Electrod Ni (S=1cm2), volum soluție = 32 mL; v = 50 mV/s;
interval 0 ÷ 800 mV; Referință = SCE; contraelectrod = Pt (S=1 cm2);
temperatura 23°C. Ciclul 2
Inocul 2 porumb; pH = 12,45
(NaOH); Electrod Ni (S=1cm2), volum soluție = 32 mL; v = 50
mV/s; interval 0 ÷ 800 mV; Referință = SCE; contraelectrod = Pt (S=1
cm2); temperatura 23°C. 5 cicluri.
Inocul 2; pH = 12,45 (NaOH);
Electrod Ni (S=1cm2), volum soluție = 32 mL; v = 50 mV/s;
interval 0 ÷ -1450 mV; Referință = SCE; contraelectrod = Pt (S=1 cm2);
temperatura 23°C. Ciclul 2 sens catodic
Inocul 2; pH = 12,45 (NaOH);
Electrod Ni (S=1cm2), volum soluție inițială = 32 ml;
v = 50 mV/s; interval 0 ÷ 800 mV. Referință = SCE; contraelectrod =
Pt (S=1 cm2); temperatura 23°C. 1. Albastru - fără etanol.
2. Roșu + 0.53M EtOH. 3. Verde + 1.49M EtOH.
4. Negru + 2.35M EtOH.
Inocul 1; pH = 12,5 (KOH);
Electrod Ni (S=1cm2), volum soluție = 32 mL; v = 50 mV/s;
interval 0 ÷ 800 mV; Referință = SCE; contraelectrod = Pt (S=1 cm2);
temperatura 23°C. Ciclul 2
Inocul 1; pH = 12,5 (KOH);
Electrod Ni (S=1cm2), volum soluție = 32 mL; v = 50 mV/s;
interval 0 ÷ 900 mV; Referință = SCE; contraelectrod = Pt (S=1 cm2);
temperatura 23°C. 5 cicluri
Inocul 1; pH = 12,5 (KOH);
Electrod Ni (S=1cm2), volum soluție = 32 mL; v = 50 mV/s;
interval 0 ÷ -1450 mV; Referință = SCE; contraelectrod = Pt (S=1 cm2);
temperatura 23°C. 2 cicluri sens catodic.
Inocul 1; pH = 12,5 (KOH);
Electrod Ni (S=1cm2), volum soluție inițială = 32 mL;
v = 50 mV/s; interval 0 ÷ 800 mV. Referință = SCE; contraelectrod =
Pt (S=1 cm2); temperatura 23°C. 1. Albastru - fără etanol.
2. Roșu + 0.53M EtOH. 3. Verde + 1.49M EtOH. 4. Negru + 2.35M EtOH
Inocul 2 porumb; pH = 12,1
(KOH); Electrod Ni (S=1cm2), volum soluție = 32 mL; v = 50
mV/s; interval 0 ÷ 800 mV. Referință = SCE; contraelectrod = Pt (S=1
cm2); temperatura 23°C. Ciclul 2
Inocul 2; pH = 12,1 (KOH);
Electrod Ni (S=1cm2), volum soluție = 32 mL; v = 50 mV/s;
interval 0 ÷ 800 mV. Referință = SCE; contraelectrod = Pt (S=1 cm2);
temperatura 23°C. 5 cicluri.
Inocul 2; pH = 12,1 (KOH);
Electrod Ni (S=1cm2), volum soluție = 32 mL; v = 50 mV/s;
interval 0 ÷ -1450 mV. Referință = SCE; contraelectrod = Pt (S=1 cm2);
temperatura 23°C. Ciclul 2 sens catodic
Inocul 2; pH = 12,1 (KOH);
Electrod Ni (S=1cm2), volum soluție inițială = 32 mL;
v = 50 mV/s; interval 0 ÷ 800 mV. Referință = SCE; contraelectrod =
Pt (S=1 cm2); temperatura 23°C. 1. Albastru - fără etanol.
2. Roșu + 0.53M EtOH. 3. Verde + 1.49M EtOH.4. Negru + 2.35M EtOH
Inocul 1 + Inocul 2. Curbe baza
cu KOH; Electrod Ni (S=1cm2), volum soluție = 32 mL; v = 50
mV/s; interval 0 ÷ 800 mV. Referință = SCE; contraelectrod = Pt (S=1
cm2); temperatura 23°C. Albastru = Inocul 1, roșu = Inocul 2.
Inocul 1 NaOH si KOH. Electrod Ni
(S=1cm2), volum soluție = 32 mL; v = 50 mV/s; interval 0 ÷ 800
mV. Referință = SCE; contraelectrod = Pt (S=1 cm2);
temperatura 23°C. Albastru = Inocul 1 NaOH, roșu = Inocul 1 KOH
Inocul 2 NaOH si KOH. Electrod
Ni (S=1cm2), volum soluție = 32 mL; v = 50 mV/s; interval 0 ÷
800 mV. Referință = SCE; contraelectrod = Pt (S=1 cm2);
temperatura 23°C. Albastru = Inocul 2 NaOH, roșu = Inocul 2 KOH
Inocul 1 NaOH si KOH. Electrod
Ni (S=1cm2), volum soluție = 32 mL; v = 50 mV/s; interval 0 ÷
-1450 mV. Referință = SCE; contraelectrod = Pt (S=1 cm2);
temperatura 23°C. Albastru = Inocul 1 NaOH, roșu = Inocul 1 KO
Concluzii
q Umiditatea - se constată că
există diferențe mici de umiditate între cele două probe
studiate. Procentul mai ridicat se regășete în proba provenită
din Timiș.
q Conţinutul de solide
totale - provenită din Deltă are procentul de 92,89% iar
proba provenită din Timiș este de 90,78%.
q Determinarea carbonului organic
total - se observă că valoarea
cea mai mare a carbonului organic total se află în cazul probei de stuf
provenit din Deltă fiind de 14.73483 mg.
q Spectroscopie de absorbţie
atomică - constată că există diferențe în ceea ce
privește conținutul de metale grele la cele doua probe de stuf.
Concentraţia metalelor grele este mult mai mare în proba de stuf
provenită din Timiș fata cea din Deltă.
q Spectroscopie FT-IR - Analiza FT-IR a fost
realizată pentru a evidenția diferențele compoziției
chimice pentru cele doua tipuri de stuf studiate
q Analiza calitativă prin
microscopie electronică de baleiaj/EDAX - Analiza semicantitativă
realizată prin EDX a evidențiat compoziția elementală a
stufului recoltat din Deltă. Compoziția elementală este: C, O,
Si, cu mici urme de Al (0.18 A%).
Analiza calitativă s-a realizat la diferite magnificații, pentru a
pune în evidență morfologia suprafeței, care are aspect de
microfibre.
q Pentru realizarea unui studiu
comparativ, s-a realizat analiza calitativă și cantitativă a
stufului recoltat din Jud. Timiș. Analiza calitativă a
arătăt că morfologia suprafeței se prezintă sub
formă de fagure și microfire.
q În concluzie prin studiile de
voltametri ciclică efectuate s-a demonstrat că soluțiile
obținute prin tratarea enzimatică a stufului din Delta Dunării
pot fi folosite într-un electrolizor necompartimentat pentru generarea
hidrogenului verde.
Articole
publicate:
Participări
la conferințe: