Processo de purificação do biogás

Ainda segundo Chaemchuen, Zhou e Verpoort (2016), os métodos de purificação podem ser divididos em duas categorias: a) a remoção física, que depende da temperatura e pressão; b) a remoção química em que a separação depende da reação de neutralização ácido-base. Também pode ser dividia em métodos de sorção e separação.

O termo sorção é um termo geral para processos de absorção (átomos, moléculas ou mesmo íons entram num certo reservatório dentro dos materiais) ou de adsorção (átomos, moléculas ou íons aderem à uma superfície e criam uma camada na superfície do adsorvente). As metodologias de sorção também podem ser divididas em duas categorias: a) baseada em temperatura e pressão (física); b) baseada na reação de neutralização ácido-base.

Por outro lado, o termo separação é comumente utilizado referindo-se às tecnologias de membrana que separam substâncias em duas frações usando membranas. Especificamente, há várias tecnologias comercialmente disponíveis para separar o dióxido de carbono do metano, purificando o gás e aumentando o seu potencial calorífico. Algumas rotas têm destaque: a absorção, a adsorção, membranas e a separação criogênica.

2.2.1.1 Absorção

Processos de absorção podem remover tanto dióxido de carbono quanto sulfeto de hidrogênio. As diferentes forças de ligação entre os mais polarizados CO2 ou H2S e o pouco polarizado metano são usadas para separar os compostos. O método mais popular de absorção é chamado Pressurized Water Scrubbing (PWS), no qual o biogás é comprimido e injetado na parte de baixo de uma coluna onde ele encontra uma corrente de água no contra fluxo.

Tanto o dióxido de carbono quanto o sulfeto de hidrogênio são mais solúveis em água que o metano. No topo da coluna, sai um biogás enriquecido, mas saturado de vapor d’água. Para reduzir a água, é preciso secá-lo. Do outro lado, o dióxido de carbono sai com a água e num tanque a pressão é diminuída e a maior parte do dióxido de carbono é emitido. O sulfeto de hidrogênio pode criar problemas de emissão e pode ser tratado separadamente (PERSSON; JÖNSSON; WELLINGER, 2006).

No lugar de água, solventes orgânicos podem ser usados. A principal diferença é que o dióxido de carbono e o sulfeto de hidrogênio são mais solúveis em solventes orgânicos, o que demanda menor circulação de líquido para a mesma quantidade de produção de gás. Solventes como glicol polietileno têm a vantagem de separar água e hidrocarbonetos halogenados. Como desvantagem há a necessidade de energia para recuperar o solvente orgânico do sulfeto de hidrogênio. Outros solventes como as alcanolaminas também podem ser usadas (PERSSON; JÖNSSON; WELLINGER, 2006).

2.2.1.2 Pressure Swing Adsorption

Entre as técnicas de adsorção, a mais usada é a Pressure Swing Adsorption (PSA), que separa os gases por meio do tamanho da dimensão da molécula e de sua capacidade de ficar retido no material de adsorção. O biogás é injetado em fluxo ascendente numa coluna de adsorção, na qual ficam retidas as moléculas de CO2, O2 e N2, e comumente é usado em duas fases de modo que, ao fim das colunas, o gás tem uma fração de 95-99% de metano (KHAN et al., 2017).

No PSA, a adsorção ocorre em alta pressão, e o material regenera por meio da redução da pressão. O sulfeto de hidrogênio precisa ser pré-separado num tanque adicional com carvão ativado antes de o gás ser injetado embaixo da coluna de adsorção. Nas colunas pressurizadas, o dióxido de carbono é adsorvido, e o metano segue para o topo da coluna. Quando saturado, o biogás passa para outra coluna. São várias colunas ligadas em cadeia. Isso cria uma operação contínua e reduz a necessidade de compressão do gás. A regeneração se dá pela despressurização, e o gás capturado com dióxido de carbono ainda possui metano, portanto é reciclado e volta ao ciclo (PERSSON; JÖNSSON; WELLINGER, 2006).

2.2.1.3 Separação por membrana

No que se refere à separação por membranas, o conceito é simples: alguns componentes são transportados através de uma membrana fina enquanto outros permanecem retidos. Não obstante, existem diferentes processos de separação por membrana: pode ser separação com fase gasosa em ambos os lados da membrana ou um sistema de absorção gás-líquido, com uso de amina, por exemplo. Nesse caso, não é necessária alta pressão, mas aproximadamente a pressão atmosférica (PERSSON; JÖNSSON; WELLINGER, 2006).

Por outro lado, membranas com fases gasosas em ambos os lados também são chamadas membranas secas. Essas membranas trabalham tanto com alta pressão de mais de 20 bar quanto com pressões menores de 8 a 10 bar. A separação se deve ao fato de as moléculas terem diferente tamanhos e permeabilidade através da membrana. Também a diferença de pressão entre os dois lados é crítica para a separação (PERSSON; JÖNSSON; WELLINGER, 2006).

Enquanto o dióxido de carbono e o sulfeto de hidrogênio passam pela membrana, ao lado permeável, o metano fica retido. Algum metano passa pela membrana. Uma vez que alto nível de purificação só pode ser alcançado com plantas de larga escala ou uma série de membranas, uma considerável perda de metano pode ocorrer. Essa perda pode ser aproveitada numa planta de cogeração para gerar energia para o processo de purificação (PERSSON; JÖNSSON; WELLINGER, 2006).

2.2.1.4 Separação criogênica e outras possibilidades

A separação criogênica é baseada no princípio de que os gases liquefazem sob diferentes condições de temperatura e pressão. Ela é operada sob temperatura muito baixa (-170 °C) e alta pressão (80 bar). O ponto de ebulição do CH4 a 1 atm é -161.5°C, muito menor do que o do CO2 que é -78.2°C, o que possibilita a separação do CO2 e do CH4 pela liquefação. Porém, as condições operacionais são mantidas por uma série de compressores e trocadores de calor, o que aumenta o capital e o custo operacional utilizado. Esses são os principais problemas da solução aliados ao uso intensivo de energia (KHAN et al., 2017).

Outra possibilidade é a purificação no local de produção de biogás ou “In-situ Methane Enrichment”. Nesse método, o lodo da câmara de digestão é levado a uma coluna onde ele encontra um fluxo de ar. O dióxido de carbono que é dissolvido na matéria orgânica é removido, e o lodo volta para a câmara de digestão, onde mais dióxido de carbono é removido, resultando em um gás enriquecido na câmara (PERSSON; JÖNSSON; WELLINGER, 2006).

Além disso, há a conversão biológica do CO2. Purificação biosintética de biogás é o nome do processo em que a microalga Eukaryotic e a cianobactéria Prokaryotic (comumente conhecida como microalga) convertem o CO2 presente no biogás em biomassa de microalga que depois pode ser convertido em metano (MUÑOZ et al., 2015).

2.2.1.5 Contaminantes típicos do biogás

Além de aumentar o poder calorífico do biogás, é necessário remover os contaminantes que podem prejudicar equipamentos ou representar um problema à saúde. Existem alguns típicos contaminantes no biogás que precisam ser removidos. Portanto, além de remover dióxido de carbono, é necessário remover água, sulfeto de hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, amônia, siloxanos e material particulado.

As concentrações de impurezas variam de acordo com o substrato a partir do qual o biogás foi produzido. Alguns desses compostos podem ser separados com a mesma tecnologia que remove o dióxido de carbono. Contudo, para evitar corrosão e o desagaste mecânico do equipamento de purificação, algumas vezes é preciso limpar o gás antes da purificação (PETERSSON; WELLINGER, 2009).

O biogás, em especial o gerado a partir de gás de aterro, pode conter uma variedade de compostos de enxofre, que devem ser evitados para não ocorrer corrosão em compressores, tanques de armazenamento e motores. Existem vários compostos de enxofres, por exemplo, sulfetos, dissulfetos e tióis. Compostos oxidados do enxofre (sulfato e sulfito) são bastante corrosivos na presença de água. O composto de enxofre mais comum é o sulfeto de hidrogênio, reativo à maioria dos metais, cuja reatividade é agravada por concentração, pressão e presença de água e elevadas temperaturas (PERSSON; JÖNSSON; WELLINGER, 2006).

Os compostos halogenados são outros contaminantes que combinam um ou mais elementos químicos que incluem um halogeno – grupo da tabela periódica que inclui fluor (F), cloro (Cl), bromo (Br), iodo (I), e astatínio (At). Halogêneos são oxidados durante processos de combustão e o seu produto é corrosivo, especialmente na presença de água e também, em determinadas condições, podem formar dioxinas e furanos.

Os halogêneos são compostos principalmente presentes em gás de aterro, mas dificilmente encontrados em gás de lodo de esgoto ou resíduos orgânicos. A maior parte dos compostos halogenados do gás de aterro é resultado da volatização direta de componentes de resíduos sólidos como os clorofluorcarbonos (CFCs), que eram largamente usados em refrigerantes, propelentes e espumas isolantes, e sua presença depende da pressão e vaporização sob as condições do aterro (PERSSON; JÖNSSON; WELLINGER, 2006).

Já os siloxanos são voláteis de silício ligados por radicais orgânicos. Eles ocorrem tanto em gás de aterro como em gás a partir de lodo de tratamento de esgotos. São originários principalmente de diferentes tipos de produtos como xampus, detergentes e cosméticos. Durante a combustão do gás com siloxanos, estes são convertidos em partículas inorgânicas de sílica, que podem causar danos em motores, aparelhos e equipamentos como válvulas, cilindros, paredes e revestimentos.

Portanto, a quantidade de sílica precisa ser reduzida ao mínimo, especialmente em motores, em que também demanda troca de óleo mais frequentemente. O crescente uso de cosméticos e outros produtos contendo sílica pode implicar maior monitoramento do gás combustível (PERSSON; JÖNSSON; WELLINGER, 2006).

Altas concentrações de amônia são outro problema para motores a gás. O limite de concentração é constantemente estabelecido por fabricantes de motores que, normalmente, consideram o limite de 100 mg/Nm3. A queima de amônia também leva à formação de óxido nitroso – NOx (PERSSON; JÖNSSON; WELLINGER, 2006).

A água que satura o biogás ao sair do digestor, caso não removida, também é um contaminante que pode condensar nos dutos e causar corrosão. A remoção dessa água pode ser por: resfriamento, compressão, absorção e adsorção. Ao aumentar a pressão e reduzir a temperatura, a água irá condensar e será assim removida do biogás.

Alguns métodos simples, como aterrar os dutos de gás e um recipiente para retenção do condensado pode ser efetivo, mas a água pode ser removida por adsorção usando SiO2, carvão ativado ou peneiras moleculares, que regeneram com mudanças de temperatura e pressão. Pode ser feita também por absorção em soluções glicol ou sais higroscópicos (PETERSSON; WELLINGER, 2009).

Poeira e partículas também danificam motores e devem ser removidas com algum tipo de filtro e/ou ciclone para reduzir a quantidade de partículas no gás. Filtros, além das partículas, reduzem a quantidade de gotículas de água e óleo.