مقدمه
بیوگاز و بیومتان به عنوان منابع انرژی تجدیدپذیر، نقش مهمی در کاهش وابستگی به سوختهای فسیلی و کاهش انتشار گازهای گلخانهای دارند. بیوگاز عمدتاً از طریق تجزیه بیهوازی مواد آلی مانند ضایعات کشاورزی، فاضلاب و زبالههای شهری تولید میشود. این گاز عمدتاً شامل متان (CH₄) و دیاکسید کربن (CO₂) است، اما ممکن است حاوی ناخالصیهایی مانند سولفید هیدروژن (H₂S)، رطوبت، ترکیبات آلی فرار (VOCs) و سیلیوکسانها باشد که میتوانند برای تجهیزات و محیط زیست مضر باشند.
یکی از مؤثرترین روشها برای حذف این ناخالصیها، استفاده از کربن فعال (کربن اکتیو) است. کربن فعال به دلیل ساختار متخلخل و سطح تماس بالا، توانایی جذب طیف وسیعی از آلایندهها را دارد. در این مقاله، به بررسی کاربرد کربن فعال در تصفیه بیوگاز و ارتقای کیفیت بیومتان میپردازیم.
1. ترکیبات بیوگاز و چالشهای تصفیه آن
بیوگاز خام معمولاً شامل ترکیبات زیر است:
- متان (50-75%) – جزء اصلی و ارزشمند بیوگاز که به عنوان سوخت استفاده میشود.
- دیاکسید کربن (25-50%) – کاهش آن باعث افزایش ارزش حرارتی بیومتان میشود.
- سولفید هیدروژن (H₂S) (0.1-2%) – گاز خورنده و سمی که باعث آسیب به موتورها و تجهیزات میشود.
- رطوبت – باعث تشکیل اسید و خوردگی در سیستمها میشود.
- سیلیوکسانها – در صورت احتراق، به سیلیس تبدیل شده و به تجهیزات آسیب میزنند.
- ترکیبات آلی فرار (VOCs) – ممکن است باعث آلودگی هوا شوند.
برای استفاده از بیوگاز در موتورها، توربینها یا تزریق به شبکه گاز شهری، لازم است این ناخالصیها حذف شوند. کربن فعال به عنوان یک جاذب مؤثر، میتواند بسیاری از این آلایندهها را حذف کند.
2. کربن فعال چیست و چگونه عمل میکند؟
کربن فعال یک ماده کربنی با ساختار متخلخل و سطح داخلی بسیار بالا (500-1500 متر مربع بر گرم) است که از منابعی مانند زغال سنگ، چوب، نارگیل و پلیمرها تولید میشود. فرآیند فعالسازی (فیزیکی یا شیمیایی) باعث ایجاد شبکهای از حفرههای ریز، متوسط و درشت میشود که توانایی جذب مولکولهای مختلف را دارند.
مکانیسمهای جذب کربن فعال:
- جذب فیزیکی (وان در والس) – مولکولهای آلاینده در حفرههای کربن به دام میافتند.
- جذب شیمیایی – در صورت اصلاح سطح کربن با مواد شیمیایی، واکنشهای شیمیایی رخ میدهد (مثلاً اکسیداسیون H₂S به گوگرد).
3. کاربرد کربن فعال در تصفیه بیوگاز
3.1 حذف سولفید هیدروژن (H₂S)
سولفید هیدروژن یکی از مهمترین ناخالصیهای بیوگاز است که باعث خوردگی و کاهش عمر مفید تجهیزات میشود. کربن فعال میتواند H₂S را از طریق دو روش حذف کند:
- جذب فیزیکی – در غلظتهای پایین H₂S، مولکولهای گاز در منافذ کربن به دام میافتند.
- جذب شیمیایی (کربن فعال آغشته به کاتالیست) – کربن فعال میتواند با مواد شیمیایی مانند ید، اکسیدهای فلزی یا هیدروکسید سدیم آغشته شود تا H₂S را به گوگرد یا سولفات تبدیل کند.
مطالعات نشان دادهاند که کربن فعال تولید شده از پوسته نارگیل میتواند تا ۹۹% از H₂S را در شرایط بهینه حذف کند.
3.2 حذف ترکیبات آلی فرار (VOCs) و سیلیوکسانها
برخی از ترکیبات آلی مانند هیدروکربنهای آروماتیک و سیلیوکسانها در بیوگاز وجود دارند که میتوانند در فرآیند احتراق مشکلاتی ایجاد کنند. کربن فعال با جذب این ترکیبات، کیفیت بیومتان را بهبود میبخشد.
3.3 کاهش رطوبت
اگرچه کربن فعال بهتنهایی یک ماده خشککننده قوی نیست، اما میتواند در ترکیب با سایر مواد (مانند سیلیکاژل) برای کاهش رطوبت بیوگاز استفاده شود.
3.4 جداسازی دیاکسید کربن (CO₂)
برای تولید بیومتان با خلوص بالا (بالای ۹۵% متان)، لازم است CO₂ حذف شود. کربن فعال میتواند در فرآیند جذب نوسان فشار (PSA) برای جداسازی CO₂ از متان استفاده شود. در این روش، CO₂ به دلیل قطبیت بالاتر، به سطح کربن فعال جذب شده و متان خالص عبور میکند.
4. مزایای استفاده از کربن فعال در تصفیه بیوگاز
- بازدهی بالا – قابلیت حذف طیف وسیعی از ناخالصیها
- مقرونبهصرفه – هزینه عملیاتی پایین در مقایسه با روشهای دیگر مانند غشاها یا جذب مایع
- انعطافپذیری – امکان استفاده در سیستمهای کوچک و بزرگ
- قابلیت احیا – برخی از انواع کربن فعال را میتوان با حرارت یا شستشو احیا و مجدداً استفاده کرد.
5. معایب و محدودیتها
- اشباع شدن – پس از مدتی، ظرفیت جذب کربن کاهش مییابد و نیاز به تعویض یا احیا دارد.
- حساسیت به شرایط عملیاتی – رطوبت و دمای بالا میتوانند کارایی کربن فعال را کاهش دهند.
- هزینه تعویض – در صورت عدم امکان احیا، هزینه خرید کربن جدید میتواند قابل توجه باشد.
6. نتیجهگیری
کربن فعال یک ماده بسیار مؤثر در تصفیه بیوگاز و تولید بیومتان با کیفیت بالا است. این ماده با حذف H₂S، CO₂، رطوبت و سایر ناخالصیها، امکان استفاده بهینه از بیوگاز را در موتورها، سیستمهای گرمایشی و تزریق به شبکه گاز فراهم میکند. با پیشرفتهای اخیر در تولید کربنهای فعال اصلاحشده، کارایی این روش در حال افزایش است. برای دستیابی به بهترین نتیجه، لازم است نوع کربن فعال، شرایط عملیاتی و روش احیا به دقت انتخاب شوند.
با گسترش استفاده از بیوگاز به عنوان یک منبع انرژی پاک، نقش کربن فعال در فرآیند تصفیه بیش از پیش اهمیت خواهد یافت.