Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/76011
Type: Tese
Title: Ocorrência de siloxanos no biogás de reatores UASB e avaliação de procedimentos e parâmetros de amostragem
Other Titles: Occurrence of siloxanes in biogas from UASB reactors and evaluation of sampling procedures and parameters
Authors: Juliana Mattos Bohrer Santos
First Advisor: Carlos Augusto de Lemos Chernicharo
First Co-advisor: Thiago de Alencar Neves
First Referee: Cláudio Leite de Souza
Second Referee: Sergio Francisco de Aquino
Third Referee: Emanuel Manfred Freire Brandt
metadata.dc.contributor.referee4: Gustavo Rafael Collere Possetti
Abstract: O biogás gerado em Estações de Tratamento de Esgoto (ETEs) contém, entre outros componentes, siloxanos, compostos presentes em diversos produtos, tais como cosméticos e itens de higiene pessoal. Durante a combustão do biogás, os siloxanos se transformam em dióxidos de silício, que causam a abrasão das peças móveis do sistema de geração de energia. Logo, o aproveitamento energético do biogás está condicionado ao atendimento dos limites de siloxanos exigidos pelos fabricantes dos equipamentos de conversão de energia e/ou pela resolução da Agência Nacional do Petróleo n° 685/2017. Contudo, a remoção de siloxanos do biogás é uma exigência recente no Brasil, sendo escassos os estudos que tenham avaliado sua concentração no biogás gerado em ETEs, principalmente em reatores UASB. Paralelamente, a aplicação da metodologia de amostragem com impingers (lavadores de gás), ainda não está completamente consolidada em termos de robustez analítica no Brasil. Portanto, a presente pesquisa teve como objetivo verificar a ocorrência de oito siloxanos cíclicos e lineares no biogás de reatores UASB e avaliar procedimentos e parâmetros de amostragem utilizando impingers. Para isso, foi realizado o monitoramento da concentração de siloxanos no biogás de reator UASB, avaliando a variação da concentração desses compostos ao longo do dia e entre os dias da semana e o efeito do local de amostragem (em reservatório ou na linha de gás) sobre a representatividade da amostra em termos da concentração média diária de siloxanos. Adicionalmente, foi desenvolvida e avaliada instrumentação analítica para amostragem por partição em solvente utilizando frascos do tipo crimp. Finalmente, foi testada a amostragem com impingers utilizando três solventes (metanol, acetona e acetonitrila), buscando aumentar a recuperação dos compostos nas matrizes gasosas. Os resultados indicaram que, em termos de composição qualitativa de siloxanos, o biogás de reatores UASB e de digestores de lodo são semelhantes, apresentando como siloxanos mais abundantes o D5, seguido pelo D4. Porém, em termos quantitativos, a mediana da concentração de siloxanos totais no biogás do reator UASB foi mais de 2,5 vezes menor que as medianas encontradas na literatura internacional para digestores de lodo. Foi verificada diferença significativa para os resultados das amostras de biogás coletadas em diferentes períodos do dia, enquanto que os resultados das amostras coletadas durante os finais de semana e dias úteis não foram diferentes em termos de concentração média de siloxanos. A representatividade da amostra, em termos da concentração média diária dos siloxanos, não foi afetada pelo ponto de amostragem quando consideradas as condições experimentais utilizadas neste estudo. A amostragem de siloxanos diretamente nos frascos tipo crimp apresentou desempenho igual ou superior ao da amostragem com impingers, possibilitando assim o aumento da segurança, simplicidade e economia do procedimento. Adicionalmente, foi observado que a acetonitrila pode ser uma alternativa para amostragem de siloxanos, uma vez que apresentou de moderada a alta absorção dos siloxanos em relação ao metanol e baixa volatilidade em relação à acetona. Os resultados obtidos contribuem para o adequado monitoramento da concentração de siloxanos no biogás e biometano, que é essencial para garantir o seu aproveitamento energético com segurança.
Abstract: The biogas generated in Sewage Treatment Plants (STPs) contains, among other components, siloxanes, compounds present in various products, such as cosmetics and personal hygiene items. During the combustion of biogas, siloxanes are transformed into silicon dioxides, which cause abrasion of the moving parts of the power generation system. In this sense, the energy use of biogas depends on meeting the siloxane limits required by manufacturers of energy conversion equipment and/or by the Brazilian Oil Agency Resolution no. 685/2017. However, the removal of siloxanes from biogas is a recent requirement in Brazil, and there are very few studies that have evaluated its concentration in biogas generated in STPs, mainly in UASB reactors. At the same time, the application of the sampling methodology with impingers (gas bubblers), is not yet fully consolidated in terms of analytical robustness in Brazil. Therefore, the present research aimed to verify the occurrence of eight cyclic and linear siloxanes in biogas from UASB reactors and evaluate procedures and sampling parameters using impingers. For this, the concentration of siloxanes in the biogas from the UASB reactor was monitored, evaluating the variation in the concentration of these compounds throughout the day and between days of the week and the effect of the sampling point (in a reservoir or in the gas line) on the representativeness of the sample in terms of the average daily concentration of siloxanes. Additionally, analytical instrumentation for solvent partition sampling using crimp-type flasks was developed and evaluated. Finally, sampling with impingers using three solvents (methanol, acetone and acetonitrile) was tested, seeking to increase the recovery of the compounds in the gaseous matrices. The results indicated that, in terms of qualitative composition of siloxane, the biogas from UASB reactors and from sludge digesters are similar, with D5 being the most abundant siloxane, followed by D4. However, in quantitative terms, the median concentration of total siloxanes in the biogas from the UASB reactor was more than 2.5 times lower than the medians found in the international literature for sludge digesters. A significant difference was verified for the results of the biogas samples collected at different times of the day, while the results of the samples collected during weekends and weekdays were not different in terms of average concentration of siloxanes. The representativeness of the sample, in terms of the average daily concentration of siloxanes, was not affected by the sampling point when considering the experimental conditions used in this study. Sampling siloxanes directly in the crimp-type flasks presented a performance equal to or superior to that of sampling with impingers, thus allowing the increase of safety, simplicity and economy of the procedure. Additionally, it was verified that acetonitrile can be an alternative for sampling siloxanes, since it presented moderate to high absorption of siloxanes in relation to methanol and low volatility in relation to acetone. The results obtained contribute to the adequate monitoring of the concentration of siloxanes in biogas and biomethane, which is essential to guarantee their safe energy use.
Subject: Saneamento
Biogás
Reatores
Esgoto - Tratamento
Reator UASB
Sílica
Energia
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/76011
Issue Date: 26-Apr-2023
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