capitulo 7-figuras

CAPÍTULO 7

USOS Y PURIFICACIÓN DEL BIOGÁS

7.1 Antecedentes

La composición del biogás, como se señaló en el capítulo 1, es muy variada. Sin embargo, los compuestos más importantes que lo constituyen son el metano (CH4), el dióxido de carbono (CO2), el vapor de agua (H2O) y el sulfuro de hidrógeno (H2S), representando éstos más del 99% del biogás. En ocasiones están presentes otros compuestos que, en casos específicos, resultan ser importantes aún en cantidades trazas, tal es el caso del NH3

1.

De los gases que componen el biogás, el metano resulta ser el de mayor interés desde el punto de vista económico, debido a su utilidad como combustible. El metano es un gas inodoro e incoloro, de un alto valor calórico, que suele aparecer también como gas acompañante en los pozos de petróleo. En la tabla 7.1 se presentan las características principales del metano.

Tabla 7.1Propiedades principales del metano

Propiedad ValorPeso molecular 16,04Densidad a 0 °C, 1 000 HPa (g/cm3) 0,7167Gravedad específica relativa al aire 0,55Rango explosivo (% en volumen en aire) 5.15Viscosidad (mPa/s) 0,011Poder calórico (MJ/m3) 37,65Punto de liquefacción (oC) -182,60Punto de ebullición (oC) -161,40Solubilidad en agua (cm3/100 cm3) 0,40Solubilidad en alcohol (cm3/100 cm3) 47,00Solubilidad en éter (cm3/100 cm3) 104,00

383

TRATAMIENTO ANAEROBIO DE RESIDUOS / S. MONTALVO, L. GUERRERO

En el presente capítulo se hará mención a los usos más comunes del biogás y a otros usos que presentan una gran potencialidad para su aplicación en el futuro inmediato. Se expondrán los principios fundamentales en que se basan los métodos de eliminación de los compuestos y especies químicas indeseables presentes en el biogás, así como se brindarán los elementos principales de operación y diseño de algunos métodos de aplicación actual.

7.2 Usos del biogás

La purificación del biogás depende, principalmente, del uso a que éste vaya a ser destinado2,3. En la tabla 7.2 se presenta un resumen de los usos del biogás y de los métodos de purificación a aplicar en cada caso4.

Tabla 7.2Usos y purificación correspondiente del biogás

Usos Eliminación de H2S Eliminación de CO2

Cocinas -Calderas y calentamiento doméstico - -Motores estacionarios -Vehículos Almacenamiento prolongado

De esta tabla se puede concluir que para la mayoría de los usos del biogás, es necesaria la eliminación del sulfuro de hidrógeno, ya que su presencia en él puede causar serios problemas. Concentraciones de 0,2% de este compuesto en el aire, es fatal para los seres humanos expuestos por pocos minutos y es explosivo a concentraciones de 4,3 – 4,5% en el aire. El H2S puede hallarse en el biogás en concentraciones de hasta 4 a 6%, sobre todo cuando el residuo presenta una elevada concentración de sulfatos5,6. La presencia de sulfuro de hidrógeno le da un olor desagradable al biogás y provoca graves daños de corrosión en tuberías, tanques y otros elementos metálicos7,8. Además, la presencia de este gas también puede afectar la utilización del biogás en motores.

La eliminación del CO2 se hace sólo necesaria en el caso que el gas fuera a ser comprimido9,10. No obstante, en muchas ocasiones se emplean métodos de eliminación de sulfuro de hidrógeno que pueden eliminar cantidades considerables de dióxido de carbono.

Para el uso del biogás como combustible, es necesario conocer su potencial energético a través de la determinación de su poder calórico y para calcularlo debe tenerse en cuenta que éste es una mezcla de gases. Por ejemplo, para calcular el poder calorífico superior (PCS) y el poder calorífico inferior (PCI) de un biogás con 70% de CH 4 y 30% de CO2, se procederá de la forma siguiente11:

384


PCS = 8080 c + 2 900 (h – o/8) + 2 500 s (7.1)

donde c es el porcentaje de carbono; h es el porcentaje de hidrógeno; o es el porcentaje de oxígeno y s es el porcentaje de azufre, todos en el combustible.

El agua formada en la combustión será:

CH4 + 2O2 CO2 + H2O (7.2)

De aquí se obtiene que se producirán 2,25 Kg de agua por cada Kg de metano quemado. En el calentamiento del agua, se necesitarían 640 Kcal por Kg, de esta forma el PCI del metano (PCICH4) sería:

PCICH4 = PCS – (2,25 · 640) (7.3)

Para esta composición en volumen de CH4 y CO2 en el biogás, la composición en peso será de 46% de CH4 y 54% de CO2, luego:

PCIbiogas = PCICH4 · 0,46 (7.4)

Teniendo en cuenta que 1 mol de gas en condiciones estándar ocupa un volumen de 22,4 L, entonces la densidad de 1 mol de CH4 viene dada por 16 g/22,4 L y la de 1 mol de CO2 por 44g/22,4 L, luego la densidad del biogás será de:

De esta forma el PCIbiogas (base volumétrica) será igual a PCICH4 · 0,46/1,09.

En la tabla 7.3 se comparan los calores de combustión de varios combustibles con el del biogás12.

Por su valor combustible el biogás tiene múltiples usos, a saber13:

Cocción de alimentos. Los requerimientos para la cocción de alimentos son de 0,23 a 0,30 m3 diarios per cápita, dependiendo del tipo de cocción del alimento y del número de personas.

Iluminación. Se requiere de 0,12 a 0,15 m3 por hora y por lámpara de 60 w.

Motores de combustión interna. En este caso son necesarios 0,58 m3/Kw para alimentar un motor de combustión interna durante una hora. Se ha podido

385


observar en el caso de los motores diesel, que con el uso del biogás se logra disminuir el consumo de petróleo cerca de un 60%. Con modificaciones en el encendido y la compresión se ha llegado a ahorrar hasta un 85% de petróleo.

Refrigeración. Ha sido comprobado que con sólo 1 m3 de biogás se puede abastecer durante 3 h, un refrigerador de keroseno de una capacidad de 300 L. Para ello deben modificarse los orificios del quemador con el propósito de brindar la cantidad de calor necesaria para este trabajo.

Otros usos energéticos. Este gas puede ser empleado en diferentes equipos que trabajen con combustible tales como: calderas, incineradores, etcétera.

Tabla 7.3Calor de combustión del biogás y otros combustibles competitivos

Material energéticoCalorías

equivalentes (Kcal)

Electricidad equivalente

(Kwh)

Equivalente (1 m3 biogás)

Combustibles sólidos(por Kg):Lignita 7 270 8,46 0,72Antracita 7 050 8,20 0,74Carbón coke 7 220 8,39 0,72Briquetas 6 380 7,42 0,82Bagazo (12% H2O) 4 040 4,70 1,29Bambú (10,5% H2O) 4 110 4,78 1,27Lana (12% H2O) 4 300 5,00 1,21Combustibles líquidos(por L):Aceite crudo 9 680 11,26 0,54Keroseno 8 992 10,26 0,58Gasolina 8 400 9,88 0,61Combustibles gaseosos (por m3):Gas natural 9 340 10,87 0,56Gas manufacturado 4 900 5,69 1,06Biogás (65% CH4) 5 200 6,00 1,00Metano (100% CH4) 8 010 9,31 0,65

Energía eléctrica(por Kwh)

860

386


La utilización del biogás como fuente de carbono en procesos de desnitrificación de aguas residuales también ha sido evaluada obteniéndose buenos resultados14.

7.3 Eliminación de polvos y de agua

Aunque los elementos principales que deben eliminarse del biogás son el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno, en ocasiones es conveniente eliminar otros componentes15,16. El biogás puede contener partículas de polvo en cantidades importantes en el caso que éste se genere en los rellenos sanitarios. Estas partículas pueden eliminarse con facilidad colocando un colector de polvo en la tubería de biogás, a pocos centímetros del tope de digestor o de la tubería de colección de biogás del relleno sanitario, lo que provoca el retorno de éstas al interior del reactor17.

En el caso del biogás generado en un relleno sanitario, éste puede arrastrar una cantidad apreciable de partículas por lo que, en ocasiones, se requiere la instalación de equipos o aplicación de métodos más costosos, como son los hidrociclones (centrifugación). Sea cual sea el sistema empleado, es obligación instalar válvulas a la entrada y salida del equipo que permitan su limpieza periódica. También es conveniente colocar una línea o tubería de desvío para posibilitar esta limpieza, sin que se pare la extracción del biogás. En grandes instalaciones (rellenos sanitarios) es recomendable construir dos separadores de sólidos en paralelo.

El vapor de agua que acompaña al biogás, puede eliminarse mediante enfriamiento, compresión seguida de enfriamiento o mediante el empleo de medios secantes como la sílica y el óxido fosfórico.

La eliminación del agua presente en el biogás, tal como sale del digestor se realiza, casi universalmente, mediante simples drenajes colocados en la tubería que conduce el biogás hacia los consumidores. Esta condensación se va produciendo en la tubería, por lo que aproximadamente cada 100 m, la tubería de referencia se inclina un poco formando un ángulo con la horizontal, lo que facilita el drenaje de esta agua.

Un método muy generalizado para eliminar agua en tuberías, es instalar éstas con pendientes de 1:100. Una trampa de agua o drenaje del condensado debe colocarse en los puntos más bajos de la tubería para remover el agua condensada. Existen diferentes sistemas que pueden ser usados con este fin, según se indica en la tabla 7.4.

La aplicación de métodos más complejos y o costosos para la eliminación de agua sólo se aplica, generalmente, cuando el biogás ha sido sometido a determinados procesos, que le incorporan una cantidad de agua significativa como son, por ejemplo, el despojamiento con agua o el burbujeo del biogás a través de soluciones alcalinas, en ambos casos para eliminar CO2 y/o H2S del gas, como se expondrá más adelante. El uso de la sílica-gel es el método que se prefiere en estos casos. En un estudio sobre la aplicación de este método a escala piloto, para eliminar el agua incorporada a un biogás durante un proceso de despojamiento con agua, se utilizó un sistema consistente en un par de columnas rellenas con sílica-gel, una en operación (proceso de secado) y la otra en

387


regeneración18. Para la regeneración se usa aproximadamente un 10% del gas seco, el que se expande a través de una válvula y circula a contracorriente por la columna que no se encuentra en operación. El gas expandido hasta la presión ambiente es capaz de contener hasta 10 veces la humedad de saturación a las condiciones de alimentación de la columna de secado. Este gas expandido y húmedo se recircula hasta la entrada del compresor que alimenta el biogás a la torre de purificación (despojamiento con agua).

Por otra parte, el gas húmedo que abandona la torre de absorción viene saturado a 30 oC, por lo que es posible eliminarle hasta un 40% del agua mediante condensación por enfriamiento y así imponer menores requerimientos al sistema de secado con sílica-gel, diseñándose y construyéndose un intercambiador de horquilla enfriado con agua de la red, al que se acopla un separador de condensado instalándose, este conjunto, entre la torre de purificación y las columnas de sílica-gel.

Tabla 7.4Sistemas de drenaje del condensado en tuberías

Tipo de drenaje Ventajas Desventajas

TBarato y no hay peligro de inundación si se chequea

adecuadamente

Se requiere un manual de atención

Diseño de tubería en U

AutomáticoPeligro de pérdida de gas debido

a la evaporación .

Sifón AutomáticoCaro, la tubería puede inundarse y bloquearse si está bajo tierra

Dispositivo de salida de agua

Automático Caro

7.4 Métodos de prevención y de purificación de H2S y CO2

7.4.1 Métodos preventivos

Sus objetivos son la disminución en el gas de la concentración de sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono previo a la salida. Esto se puede lograr aplicando las siguiente metodologías:

I. Dilución del residuo

1) Utilización en procesos industriales de agua que no contengan sulfatos19.

388


2) Recirculación del efluente después de una etapa de remoción de sulfuros mediante: despojamiento; precipitación u oxidación biológica del sulfuro a azufre elemental21.

Se ha cultivado una bacteria fotosintética verde denominada Chlorobium, la que se desarrolla en un tubo iluminado de vidrio o plástico acrílico20. El residuo del digestor (sobrenadante) circula a través de una columna dentro de la que crecen las bacterias oxidantes del H2S. El sobrenadante se recircula al proceso de digestión anaerobia disminuyendo así la concentración de sulfuro de hidrógeno, entre 70 y 95%22.

También se ha empleado una especie de bacteria de color púrpura denominada Chromatium sp., la que adicionada al proceso de digestión anaerobia, no provoca cambios en la producción de metano, pero si una completa eliminación de H2S23.

Otro método biológico de prevención de formación de H2S en el reactor anaerobio consiste en un sistema que opera en dos fases; en la primera se produce la reducción de SO4

2- a S2- y en la segunda el S2- es oxidado a S mediante Thiobacillus sp. en presencia de O2

24. También se ha empleado Thiobacillus denitrificans para la conversión biológica del S2-, el cual utiliza como agente oxidante el NO3

-

3) Aplicación de oxidantes químicos para obtener S elemental, como por ejemplo el sulfato férrico.

II. Disminución de la concentración de sulfuro no ionizado

1) Incremento del pH en el reactor manteniendo éste entre 7,5 y 8,025. El incremento del pH del proceso contribuye a disminuir la concentración de protones y facilita la acción de las bacterias anaerobias. La disminución de la concentración de hidrógeno provocará las reacciones en que el ion S2- se combinará con los cationes existentes. Este incremento del pH tiende también a disminuir la concentración de CO2 libre en solución y por consiguiente, en el biogás26. En la figura 7.1 se observa la influencia que ejerce el pH sobre la concentración de sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono. A pH 7,5 se logra una disminución de 70% de H2S en fase gaseosa y de 90% de CO2 con respecto al valor máximo27,28.

2) La adición de sales de hierro antes de la digestión también causa la precipitación de sulfuros al momento de formarse éstos, no dando tiempo a que el H2S pase al biogás. Esto ha sido patentado mediante la aplicación de una solución de aproximadamente 45% en peso de sulfato férrico parcialmente polimerizado29.

3) Despojamiento del líquido del reactor utilizando:

- Otro gas, como por ejemplo nitrógeno o aire. En este último caso hay que cuidar

389


que éste no se aplique en exceso para evitar tanto los efectos inhibitorios que pueda causar el O2 a los anaerobios estrictos así como las mezclas explosivas que pueden formarse con el CH4 generado durante la anaerobiosis.

Figura 7.1: Influencia del pH sobre la concentración de sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono en el biogás

III. Establecimiento de condiciones favorables para los metanógenos

1) Inhibición selectiva de las bacterias reductoras de sulfatos (BRS) mediante el uso de análogos de SO4

2- (por ejemplo MnO42-); usando elementos de transición;

aplicando antibióticos.

2) Adición de estimulantes para los metanógenos. La adición de Fe, Ni, Co y Mo, acelera el metabolismo de los metanógenos y por tanto incrementa la concentración de éste en el biogás, lo que ayuda a disminuir los niveles de hidrógeno libre y facilita las reacciones del ion sulfuro con éstos y otros metales30.

Teniendo en cuenta las limitaciones que presentan los métodos preventivos para mejorar la calidad del biogás, en la mayoría de las ocasiones es necesario aplicar métodos

390


de purificación basados en el tratamiento del biogás ya producido, siendo los más utilizados los que se basan en mecanismos de adsorción o absorción y en menor escala, métodos biológicos.

7.4.2 Métodos de purificación

7.4.2.1 Métodos de purificación por adsorción

Los métodos de purificación por adsorción utilizan por lo general carbón activado, silica-gel o tamices moleculares.

A baja temperatura, el sulfuro de hidrógeno reacciona con el carbón activado, el cual en presencia de oxígeno produce azufre y agua, según la reacción siguiente:

2H2S + O2 1/4 S8 + 2 H2O Go =- 444 KJ (7.5)

El azufre se adsorbe en la superficie interna del carbón activado, pudiéndose adsorber más del 100% de su peso en sulfuro31. Esto es posible porque este material tiene un área superficial grande (2 000 – 2 407 cm2/g), una amplia variedad de tamaños de poros y una ligera carga natural, lo que permite la atracción de compuestos inorgánicos y orgánicos.

El costo del carbón activado es una de las limitantes mayoritarias en el uso de éste para purificar el biogás, sin embargo, es posible obtenerlo a partir de diferentes materias primas e incluso de desechos. En este sentido se probó la eficiencia, como purificador del H2S presente en el biogás, del carbón activado producido a partir de cáscara de coco32. En este estudio se utilizaron tres rangos de diámetro de partículas (Dp) diferentes de carbón activado, 0,25-0,80 mm; 0,80-1,25 mm y 1,25-3,15 mm, tratándose el biogás en columnas de 0,15 m de altura y 0,025 m de diámetro, operando en discontinuo, según se indica en la tabla 7.5. La presión de trabajo fue cercana a la que se obtiene en un digestor anaerobio.

De la tabla 7.5 se concluye, de la columna 5, que para menor Dp hay una eficiencia mayor de purificación de H2S, sin variación significativa de la concentración de CO2 y CH4

en los gases de salida, con relación a las concentraciones de entrada de éstos, lo que se debe a que como en el carbón activado predominan los microporos y éstos adsorben moléculas hasta dos veces menores que el tamaño de los mismos, éste será más selectivo por el H2S(g) que por el CH4 (g) o por el CO2(g). También se observa que para las concentraciones mayores de H2S(g) de entrada, alrededor de 3%, se obtienen, en general, reducciones mayores de este gas, aunque el volumen tratado es menor, o sea, que el carbón se agota más rápido. Para altas concentraciones de sulfuro de hidrógeno en el biogás se emplea un proceso de regeneración con dos columnas adsorbedoras; en una de éstas se elimina el sulfuro de hidrógeno, mientras que la otra se regenera térmicamente, usualmente con vapor a 400 oC. El CO2 puede ser eliminado en columnas de adsorción de carbón activado a presiones de 5 000 HPa, reduciendo la concentración de CO2 hasta 5%.

391


Tabla 7.5Resultados de la purificación del biogás con carbón activado a partir de cáscara de

coco de distintos tamaños de partícula (concentraciones de gases en %)

Dp (mm)

Qg*(Lh)

H2Sa CO2a CH4

a Vts**(L)

H2Se CO2e CH4

e Vtt***(L)

1,25 -3,15 300 1,21 25,71 73,04 215,00 0,16 25,10 71,97 268,25

0,80 - 1,25 264 1,07 25,57 73,34 440,75 0,16 24,44 71,96 505,25

0,25 - 0,80 120 1,09 26,87 7i,97 462,25 0,007 25,44 70,39 526,75

1,25 - 3,15 300 3,10 25,75 71,11 32,25 0,014 24,78 70,01 86,00

0,80 - 1,25 264 3,04 26,33 70,60 43,00 0.014 25,20 69,32 96,75

0,25 - 0,80 120 3,03 26,74 70,29 53,75 0,014 25,50 68,77 107,50*Qg: Flujo de gas a tratar en las columnas purificadoras. **Vts: volumen tratado sin detectar H2S(g) en los gases de salida. ***Vtt: volumen total tratado. El superíndice “a” representa las concentraciones de los diferentes compuestos a la entrada de las columnas purificadoras. El superíndice “e” representa las concentraciones de los diferentes compuestos a la salida de las columnas purificadoras.

La adsorción empleando sílica-gel ha dado también buenos resultados en la eliminación de H2S y CO2. El CO2 se elimina a presiones de 5 000 Hpa. La reducción de H2S se puede efectuar a temperatura y presión normal. Cuando la sílica-gel se satura, el color de ésta pasa de azul a negro como resultado de la adsorción de sulfuro de hidrógeno. La sílica-gel puede ser recuperada con gran facilidad mediante su calentamiento a 117 oC.

La capacidad efectiva de eliminación con sílica-gel varía entre 31 y 12 L por Kg. Esto depende del contenido de humedad que presente el biogás.

Para el cálculo de las dimensiones de las columnas de adsorción se ha determinado la relación siguiente:

(7.6)

donde C es la concentración de componentes indeseables en el biogás (molcm3); Co es la concentración de componentes a la entrada del proceso (molcm3); as es el área superficial específica (cm2g de adsorbente); k es el coeficiente de transferencia de masa (cm/t); a es la capacidad máxima de adsorbente (molg de adsorbente); t es el tiempo de contacto (t); es la fracción vacía de la columna; es la densidad del adsorbente (gcm3); 1 es la velocidad intersticial (cmt) y z es la distancia de la entrada al punto de muestreo (cm).

La ecuación (7.6) puede describir la eficiencia del adsorbente, ya que todos los parámetros de la ecuación pueden determinarse experimentalmente, o bien fijarse. El

392


valor del coeficiente de transferencia de masa se puede hallar usando el gráfico (1 + ln (C/Co)) vs t, cuya expresión gráfica da una línea recta con pendiente k. Un esquema de una unidad típica de purificación por adsorción presenta una columna en operación y otra en reserva o regenerándose.

Otros sólidos han sido utilizados, muy excepcionalmente, con estos fines, entre los que pueden mencionarse los tamices moleculares. Estos pueden usarse para eliminar H2S, mercaptanos, agua y un buen número de otras impurezas. Los tamices moleculares consisten en compuestos de sílica o de alúmina activa, los que tienen una alta afinidad por las moléculas polares. Ellos poseen un área superficial hasta 590 cm2/g, teniendo tamaños de poros bien definidos, lo que permite una remoción selectiva de diferentes compuestos. La regeneración del área superficial saturada de esos compuestos se efectúa pasando gas caliente (204 - 315 oC) a través de la columna de purificación. Estos tamices son preferibles de usar para la remoción de compuestos de azufre y de agua a pequeña y mediana escala.

7.4.2.2 Métodos de purificación por absorción

Los métodos basados en la absorción son de gran aplicación en la purificación del biogás, debido a la alta eficiencia que se logra en la mayoría de éstos y en algunos casos, también, por los relativos bajos costos de estas unidades. Los sistemas más empleados son:

Compuestos de hierro.

Soluciones alcalinas.

Utilización de carboncillo y cenizas.

Compuestos orgánicos.

Despojamiento con agua.

Uso de compuestos de hierro

El uso de limallas de hierro se efectúa en columnas de purificación las cuales, en muchas ocasiones, se encuentran humedecidas intermitentemente con agua y rellenas con otro material para ayudar a la hidrodinámica del sistema33,34. Cuando el biogás contiene pequeñas cantidades de aire el hierro se corroe y el azufre se deposita parcialmente sobre las limallas y puede lavarse. El proceso puede operar desde presiones ambientales hasta varios cientos de kPa, lográndose buenas eficiencias de eliminación de H2S a temperaturas ambientales o superiores, pero el contenido de humedad de las limallas debe mantenerse entre 30 y 60%. La operación a pH 8-8,5 es la más adecuada, debiéndose trabajar por encima de 7,5. Cuando se regenera aplicando directamente oxígeno en la torre de purificación, hay que tener cuidado porque esta reacción es exotérmica. Las limallas pueden “envenenarse” con hidrocarburos a temperaturas superiores a 48 oC, por lo que el flujo de O2 debe controlarse de forma tal que la temperatura en la torre permanezca por debajo de ese valor. La limpieza del gas y la regeneración de las limallas pueden llevarse a cabo al mismo tiempo, alimentando O2 en el gas que entra a la torre, manteniéndose la temperatura a un determinado nivel; sin

393


embargo, la práctica habitual es diseñar dos torres para cuando una esté en operación, la otra se esté regenerando o en reserva. Para pequeñas instalaciones, las limallas agotadas son extraídas de la torre y son volteadas en el piso varias veces, de forma manual, aireándose de esta manera y regenerándose. Las limallas pueden regenerarse de 3 a 5 veces, dependiendo de la cantidad de azufre eliminado y del cuidado que se haya tenido en el sostenimiento de la temperatura apropiada, el pH y el contenido de humedad. Las limallas pueden, eventualmente, sobresaturarse con azufre elemental, pero el acortamiento de la vida media de este material es causado por su destrucción con ácido y calor o por su envenenamiento. En general, el 50-60% del peso original de las limallas puede ser absorbido como S elemental. En la literatura se plantea que la capacidad de eliminación de las columnas de limallas es de 0,12 a 0,18 Kg de S/Kg de Fe, siendo la duración de las columnas de dos meses, para un tiempo de contacto de 3 minutos y una concentración de sulfuro de hidrógeno en el biogás de 0,3% en volumen. En otras experiencias, a escala industrial, se ha observado que la capacidad de las columnas era de 0,25 a 0,46 Kg S ( Kg de limallas para un biogás con 1% de H2S, generado de residuos vacunos). La columna estaba rellena con limallas y aserrín en proporción de 60 a 40%, respectivamente35.

Por ser éste el método más utilizado para eliminar el H2S del biogás en instalaciones pequeñas y con cierta frecuencia también en instalaciones medianas, a continuación se expondrán los pasos a seguir para el cálculo de una torre de purificación de biogás utilizando limallas de hierro:

- Se asume una cantidad de azufre (Sr) que se elimina por unidad de peso de hierro o limalla.

- Se calcula la cantidad de azufre presente en el biogás. Esto se hace de la forma siguiente:

1. Se mide el porcentaje de H2S(g) (en volumen) presente en el biogás, con pruebas sencillas de laboratorio utilizando el método de Tutweiler u otro cualquiera36.

2. Con este porcentaje de H2S(g) y el flujo de biogás a tratar (Qg), se calcula el volumen de H2S(g) producido diariamente.

3. Con este último valor y la densidad del H2S(g) obtenido en tablas o manuales, se conocerá la cantidad en peso de H2S(g) a eliminar diariamente (PH2S). Como en 34 g de H2S hay 32 g de S, puede conocerse la cantidad de azufre que hay en PH2S.

- Como en la torre de purificación se necesita del 20 al 50% de otro material a utilizar con las limallas (en volumen), se busca la densidad del Fe en tablas o manuales, y con esto se halla el volumen de hierro o limalla necesario en la torre (VFe). El volumen del otro material será Vm.

- Las dimensiones de la torre puede ser entonces calculada según:

1. El volumen de la torre (VT) será igual a Vm + VFe.

394


2. La torre puede tener sección rectangular o circular. El área transversal de la torre (AT) puede hallarse en función de Qg y de la velocidad del biogás a través de la torre (vg), la cual debe ser menor a 5 cms, de acuerdo con:

AT = Qgvg (7.7)

3. La altura de la torre(hT) se calcula según:

hT = VTAT (7.8)

También se ha empleado óxido férrico hidratado como compuesto del hierro para la purificación del biogás, con lo cual se produce sulfuro férrico. Después de la regeneración con O2 se obtiene el azufre elemental como subproducto de acuerdo a las siguientes reacciones:

FeO3 · H2O + H2S Fe2S3.H2O + H2O (7.9)

Fe2S3 · H2O + O2 Fe2O3.H2O + S (7.10)

Efectuando el proceso de purificación en presencia de una pequeña cantidad de aire, el hierro actúa como catalizador y la reacción global producida puede representarse según:

2H2S + O2 2H2O + 2S (7.11)

Se ha demostrado que el tiempo mínimo de contacto debe ser superior a 10 s37. A nivel de escala real, si el porcentaje de gas es relativamente pequeño, pueden obtenerse valores prácticos de remoción de H2S entre 98 y 100%, pero con una regeneración frecuente (una vez por mes), lo cual hace engorrosa la operación38.

También se ha utilizado hierro quelado en fase líquida para la absorción del H2S presente en el biogás39.

Absorción de H2S y CO2 en disoluciones alcalinas

Existe un número considerable de procesos purificadores de biogás basados en la utilización de sales de sodio o potasio y ácidos débiles. El anión se selecciona de forma tal que la disolución resultante esté estabilizada a un pH entre 9 y 11. Por su naturaleza alcalina, la disolución absorberá H2S y CO2 y debido a la capacidad tampón del ácido débil presente en la disolución original, el pH no variará rápidamente a medida que los gases sean absorbidos.

395


Por su disponibilidad y relativo bajo costo las disoluciones de carbonato sódico o de hidróxido sódico son muy utilizadas, aunque también se utilizan las de potasio y calcio. Desde un punto de vista químico y dado que el biogás tiene una concentración nada despreciable de CO2, el que se disuelve formando bicarbonato y carbonato, estos compuestos tienen comportamiento similares.

En el proceso de disolución de CO2(g) y H2S(g), al alcanzarse las condiciones de equilibrio, es de esperar que se disuelva una mayor cantidad de CO2 que de H2S, consumiéndose preferentemente el álcali, en absorber el CO2. La viabilidad del proceso de absorción selectiva del H2S queda, por tanto, a expensas de las velocidades del proceso físico de transferencia de materia y disolución de ambos gases. Para la absorción de CO2

en disoluciones de carbonato sódico se ha encontrado que el coeficiente global de transferencia para la película gaseosa (KGa) puede relacionarse con la velocidad de flujo de líquido (QL), mediante la ecuación:

KGa = C · QL(1-n) · av · n (7.12)

donde C y n son constantes características para cada tipo de relleno utilizado en las columnas purificadoras de intercambio y av es la superficie específica del relleno seco.

Se puede observar que el coeficiente global es esencialmente independiente de la velocidad de la fase gaseosa, lo que podría indicar que la absorción está controlada por el transporte a través de la película líquida. Sin embargo, el efecto de la velocidad del líquido no es tan elevado como podría esperarse de un proceso controlado por el transporte en el líquido. La baja velocidad de absorción que se obtiene puede ser originada por la lenta cinética de la reacción entre CO2 y H2O. En la absorción de bajas concentraciones de H2S en disoluciones de carbonato, se ha encontrado variaciones de KGa en función de las velocidades de flujo de ambas fases, en la proporción QG/QL = 0,8/0,3, donde QG es la velocidad del gas. Estos datos indican que la resistencia de la película gaseosa representa un pequeño porcentaje de la resistencia total. También se ha encontrado que para concentraciones de H2S mayores de 1%, la película gaseosa tiene una mayor influencia que la líquida. Para mezclas de H2S y CO2 puede, en consecuencia, establecerse la influencia preferente de la película líquida para el CO2 y de la película gaseosa para el H2S. El factor de selectividad, definido como relación entre los coeficientes globales de transferencia de H2S y CO2, aumenta al disminuir la velocidad del líquido y la temperatura y al aumentar la velocidad del gas. Para concentraciones de H2S superiores al 1,5%, la concentración de sulfuro de hidrógeno no afecta a la selectividad, pero por debajo de este límite, la selectividad decrece al disminuir la concentración. Esta información indica que para seleccionar y dimensionar procesos que permitan la eliminación selectiva del H2S frente al CO2, es necesario respetar las condiciones siguientes:

Temperatura de operación moderada.

Relación líquido-gas pequeña.

Tiempo de contacto entre fases corto.

Equipos que favorezcan el control de la película gaseosa.

396


Debido a la aplicación práctica de estas disoluciones para la purificación de medianos y grandes volúmenes de biogás, se expondrán las bases para el dimensionamiento de una columna de relleno para eliminación selectiva de H2S39. El diámetro de la columna puede calcularse en función de la velocidad de inundación, utilizando cualquiera de las correlaciones gráficas que aparecen en diferentes textos40,41. Para el cálculo de la altura del relleno de la columna, pueden emplearse los coeficientes globales de materia según:

KG(H2S) = 6,536 · 10-2 (vg)0,75 (7.13)

KG(CO2) = 0,215 + 2,297 · 10-3 · CL (7.14)

donde KG son coeficientes de transferencia de masa (Kgm2·h·atm); vg es la velocidad del gas (mh) y CL es la carga de líquido (Kgm·h). El coeficiente global del H2S se corrige mediante un factor que tiene en cuenta el tipo y dimensiones del relleno utilizado.

Con esta información, el dimensionamiento se lleva a cabo a través de los pasos siguientes:

1. Fijar valores de caudal, presión, temperatura y composición de la fase gaseosa y del tipo y composición de la disolución a utilizar, así como del porcentaje de eliminación de H2S.

2. Seleccionar el tipo de relleno y establecer los valores de la superficie específica, porosidad y factor de relleno.

3. Suponer un porcentaje de eliminación de CO2.

4. Calcular el caudal de fase líquida a partir de la velocidad de flujo de masa de la fase gaseosa y de los porcentajes de eliminación de H2S y CO2.

5. Calcular el diámetro de la columna a partir de las correlaciones de velocidad de inundación.

6. Comprobar que la relación de diámetros del relleno y la columna es adecuada. En caso contrario, seleccionar otro relleno y repetir el paso 5 con los nuevos datos.

7. Calcular la velocidad del gas y la carga de líquido. Para la superficie específica del lecho, se propone una eficiencia de mojado del relleno que depende de los flujos de líquido y gas.

8. Calcular los coeficientes globales de transferencia para H2S y CO2.

9. A partir de los valores de los coeficientes globales, calcular el porcentaje de eliminación de CO2. Comparar con el valor supuesto en el paso 3. En caso de discrepancia, volver al paso 3.

397


10. Repetir hasta conseguir un ajuste adecuado.

11. Calcular la altura del relleno.

En la tabla 7.6 se muestran las características generales de un grupo de procesos y soluciones químicas alcalinas que se encuentran disponibles comercialmente para eliminar CO2 y H2S42.

Tabla 7.6Procesos que utilizan soluciones alcalinas para absorber y/o eliminar CO2 y H2S

Nombre del proceso

AbsorbenteTemperatura de operación

(oC)

Presión* de operación

(kPa)

Método de regeneración

CatacarbCarbonato de potasio

+ borato de amina15 -232 0 – 9 493 Vapor

Giammarco-vetrocoke

Potasio + trióxido de arsénico o glicerina

48 - 120 0 –9 500Vapor o agua

hirviendo

Benefield** Carbonato de potasio 96 863 – 17 260 Vapor

*Presión manométrica. **También se eliminan mercaptanos.

Otros procesos utilizados para absorber y/o eliminar CO2 y H2S, se explican a continuación.

- El proceso Stretford utiliza carbonato de sodio con vanadato de sodio, ácido disulfónico y antraquinina para eliminar ambos gases.

- En el método Takahax se emplea carbonato sodio con naftaquinona para eliminar también CO2 y H2S.

- El carbonato de sodio mezclado con hidróxido férrico es usado en el sistema Ferrox para absorber H2S.

- El procedimiento Thylox utiliza una solución de tioarseniato de sodio para absorber el H2S en una torre rellena de listones. Cuando se inyecta aire en la solución, el tioarseniato es regenerado y se produce azufre elemental, el cual es arrastrado hasta la superficie en la parte superior de la torre en forma de nata, se separa, se filtra y se seca.

- La solución de ortofosfato de potasio también se ha utilizado para absorber el H2S(g), regenerándose la solución agotada con vapor de agua. En general se usa un procedimiento de absorción en dos pasos, con la solución completamente regenerada que entra en el paso final en contacto con los gases salientes y con la solución parcialmente regenerada que entra en el primer paso, lográndose de esta forma economía de vapor.

398


Debido a que muchas de estas soluciones comerciales son corrosivas, requieren de adición de inhibidores de corrosión, lo que no sólo encarece el sistema sino que, además, estos agentes anticorrosivos tienen tendencia a formar espuma, por lo que también, en ocasiones, se adicionan agentes antiespumantes.

En algunas experiencias, mediante la absorción en columnas (tipo duchas) con carbonato de sodio o potasio o con solución al 6% de amoníaco, a un tiempo de contacto de sólo un segundo, se han logrado alcanzar reducciones de 85% o más de sulfuro de hidrógeno. Un ejemplo de las reacciones que ocurren en este caso se muestra a continuación:

K2CO3 + CO2 + H2O 2KHCO3 (7.15)

K2CO3 + H2S KHCO3 + KHS (7.16)

Lo usual cuando se aplica el método de absorción con hidróxido de sodio o de potasio, es burbujear el gas en una solución al 10% de cualquiera de estos compuestos, habiéndose utilizado con mayor frecuencia la solución de sodio. Las reacciones que ocurren en este caso son las siguientes:

2NaOH + CO2 Na2CO3 + H2O (7.17)

Na2CO3 + H2S Na2S + CO2 + H2O (7.18)

A partir de estas ecuaciones se obtiene la ecuación de la reacción general siguiente:

2NaOH + H2S Na2S + CO2 +H2O (7.19)

Se puede estimar que 100 L de solución de hidróxido de sodio, o de potasio, pueden tratar 2 345 m3 de biogás con 0,1% de H2S. El CO2 se puede eliminar haciendo burbujear el biogás en una solución que contiene 1,8 Kg de óxido de calcio en 1 m3 de agua, la cual servirá para eliminar, solamente, 560 L de CO2. Por lo tanto, suponiendo que el biogás contenga un 35% de CO2, se necesitarán 625 L de agua de cal para purificar 1 m3 de biogás. Después de usada esta solución, comienza a tomar un color blanco lechoso y se satura cuando vuelve a aclarar su color. Esta es la señal necesaria para su sustitución.

A nivel de planta industrial se ha utilizado una columna de lavado con una solución de NaOH y NaOCl para la oxidación del H2S, obteniéndose buenos resultados, pero con un gasto de electricidad considerable43.

Utilización de carboncillos y cenizas

399


Estos dos desechos, que se originan cuando se utiliza el bagazo de caña de azúcar como combustible, han sido probados como purificadores de biogás35. El carboncillo procedente de la separación del hollín es considerado como un sustituto del carbón activado, por lo que se ha probado sus usos como desecante y para la eliminación de color y olores desagradables provenientes de aguas residuales. Para probar las cualidades de este material como absorbente del H2S contenido en el biogás, se rellenó una columna de 1 m de altura con 863 g de carboncillo, obteniéndose eliminaciones de un 90% de H2S, partiendo de un biogás con 1% de H2S. La capacidad de absorción del carboncillo fue de 0,91 Kg S/Kg de carboncillo. Para utilizar las cenizas procedentes de hornos de bagazo de caña es necesario preparar una solución y burbujear el biogás a través de ésta, observándose que al tratar 1 m3 de biogás conteniendo 1% de H2S, con 88 L de una solución obtenida al lixiviarse 15 Kg de cenizas, se disminuía el contenido de este gas en un 87% como promedio. El pH final resultante de la solución ya utilizada estuvo dentro del rango neutro, pudiéndose analizar las posibilidades de reuso de ésta con distintos fines.

Empleo de compuestos orgánicos

Diferentes compuestos orgánicos han sido utilizados para la purificación del biogás. En la tabla 7.7 se muestran las características generales de un grupo de procesos y solventes orgánicos que se encuentran disponibles comercialmente para eliminar CO2 y H2S.

Las alcaloaminas se operan típicamente en procesos calientes debido a que el calor ayuda a la reacción química. Sin embargo, el calor excesivo puede causar vaporización y pérdida de la solución química. Por lo tanto, estos procesos operan usualmente a temperatura hasta 48 oC. Estos compuestos son algo corrosivos y se necesitan normalmente agentes anticorrosivos, no obstante estas aminas han tenido buena aceptación como purificadoras de biogás.

La MEA (ver tabla 7.7) es corrosiva a concentraciones de 19%, mientras que la DEA puede ser utilizada a 35% de concentración sin causar problemas de corrosión. La DGA es aún menos corrosiva y tampoco forma espuma. Por lo anterior la DEA, la cual no absorbe hidrocarburos pesados, remueve selectivamente CO2, y la DGA, se prefiere, generalmente, para la purificación de gases. Muchas de las soluciones alcaloaminas también eliminan un gran porcentaje de vapor de agua.

Las soluciones de aminas (mono, di, trietanolaminas o glicoaminas) tienen el grupo amino (NH2

2-) que se combina con CO2 y H2S para dar compuestos de hidrogenocarbonato, amoníaco y azufre de acuerdo a ecuaciones del tipo:

RNH2 + CO2 + H2O (RNH3) + HCO3- (7.20)

RNH2 + H2S (RNH3)S (7.21)

400


Tabla 7.7Algunos procesos que utilizan solventes químicos para absorber y/o eliminar

CO2 y H2S

Nombre del proceso

AbsorbenteTemperatura de

operación(oC)

Presión* de operación

(kPa)

Método de operación

Amina-GuardMono-etanolamina

(MEA)Hasta 48 Alta

Rehervir a baja presión

SNPA-DEA Dietanol-amina (DEA) Hasta 48 4315Calentamiento a

baja presión

Econamine**Hidroxi-amino etilester

(DGA)Hasta 48 4315

Calentamiento a baja presión

SulfinolDióxido de tetra

hidrotiofeno + amina diisopropanol

Ambiente 0 – 9 500Rehervir o contacto instantáneo a baja

temperatura

SelexolDimetil eter de polietilenglicol

- 23 a ambiente 2589 Baja presión

FluorCarbonato de propileno

anhidro- 45 2589 Baja presión

Puriosol*** N- metil pirolidona Baja Alta Alta temperatura

Rectisol Metanol Baja Alta Alta temperatura

*Presión manométrica. **Absorben también mercaptanos. ***No absorbe CO2

Otros productos orgánicos utilizados para la reducción del contenido de CO2 y de H2S en el biogás son el Towsend, en el que se emplea etilenglicol con dióxido de azufre y el Purox, donde se aplica una solución de amonio de hidroquinona.

La absorción con soluciones de compuestos orgánicos se efectúa inicialmente a bajas temperaturas (con excepción de las soluciones de aminas) y altas presiones, donde las solubilidades son muy elevadas y la regeneración del absorbente se lleva a cabo, usualmente, mediante calentamiento de la solución con disminución de la solubilidad y desprendimiento de un gas concentrado en sulfuro.

El azufre puede recuperarse a partir de ese gas, quemando parte del sulfuro para obtener azufre elemental y dióxido de azufre. El sulfuro remanente se convierte, catalíticamente, a azufre elemental en presencia de óxido de aluminio. Debido a lo costos de las mayorías de estas soluciones químicas, son más factibles de aplicarlas en grandes instalaciones de producción de biogás.

401


Despojamiento con agua

En este método, que se denomina también fregado o limpieza húmeda, el absorbente utilizado es el agua, la cual se pone en contacto con el biogás a purificar en torres o columnas, rellenas o no, donde se efectúa la transferencia de masa del CO2 y H2S al agua que fluye a contracorriente. Las temperaturas de operación suelen ser de 5 a 10 oC, aunque también se operan a temperatura ambiente en el rango mesófilo, siendo las presiones de trabajo mayores de 1726 kPa. En este sistema se necesita regenerar el agua cargada de CO2 y H2S, lo cual se hace en muchas ocasiones utilizando una torre donde, de forma instantánea, el CO2 y el H2S pasa al aire ambiente reincoporándose el agua al proceso, siendo necesario una reposición de ésta entre 10 y 20%. En regiones donde las temperaturas ambientales son relativamente bajas, se prefiere utilizar el calentamiento del agua a baja presión para la regeneración de ésta. Además de incorporar CO2 y H2S a la atmósfera, este método es, en general, menos eficiente en eliminación de estos gases que los otros sistemas de purificación de biogás que se han mencionado anteriormente.

7.4.2.3 Métodos de purificación biológica

Un método biológico consiste en el empleo de bacterias fotosintéticas que oxidan el sulfuro de hidrógeno, de acuerdo a la reacción siguiente:

17H2S + 8CO2 2C 4H7 O3 + 17S + 10H20 (7.22)

El Thiobacillus denitrificans ha sido el más empleado con ese objetivo44,45. Otros microorganismos como el Thiobacillus thioxidans se han utilizado con el mismo propósito46,47.

Otro método de purificación biológica consiste en hacer circular el biogás a través de un lecho de carbón activado o de tierra, el cual sirve de soporte a los microorganismos. Mediante el empleo de tierra como soporte, se han logrado obtener reducciones de 110 a 120 mg H2S/m3·h. Se ha planteado que la utilización de filtros rellenos con compost es capaz de eliminar de 40 a 100% de impurezas en el biogás, tales como amoníaco y sulfuro de hidrógeno48. Los filtros compost operan adecuadamente dentro de ciertos límites de concentración de H2S(g) en el biogás a tratar. En este sentido se ha observado que para concentraciones de 2 000 ppm de entrada a uno de estos filtros, éste prácticamente no operaba; sin embargo, cuando esta concentración se reducía a 200 ppm, se obtenían eficiencias de remoción de más del 99%49.

El funcionamiento de estos biofiltros puede afectarse seriamente ante la presencia de gases tóxicos. La temperatura ideal para el funcionamiento de los biofiltros está entre 15 y 40 oC. La humedad es fundamental para la supervivencia y el metabolismo de los microorganismos y contribuye al amortiguamiento y regulación del pH del biofiltro. La humedad puede garantizarse mediante aspersión o por inyección de vapor.

La turba también ha sido utilizada como medio portador de microorganismos para el proceso de desulfuración. Esta turba contiene 87% de humedad y 12,7% de materia

402


orgánica, habiéndose trabajado con entre 54 y 108 s, alcanzándose remociones de NH4+

mayores a 75%, además de la remoción del H2S50.

A escala de laboratorio y piloto se ha probado un sistema purificador de biogás que aprovecha la solubilidad de los gases acompañantes del metano, fundamentalmente CO2

y H2S, combinado con la capacidad de las microalgas para utilizar el primero como fuente de carbono y el segundo, como precursor de la síntesis de aminoácidos sulfurados en el metabolismo de estos microorganismos51.

En una laguna purificadora se emplearon cultivos de Chlorella vulgaris y Scenedesmus obliguus, utilizándose un sistema de simple y doble burbujeo del biogás en la laguna. Los resultados fundamentales obtenidos en este sistema se muestran en la tabla 7.8.

Tabla 7.8Sistema de purificación de biogás utilizando microalgas

Lugar de muestreoComposición del biogás

% CH4 % CO2 % H2S

Entrada al sistema 72 - 78 28 - 22 0, 010Salida del simple burbujeo 85 - 90 15 - 10 0,007Salida del doble burbujeo 90 - 95 10 - 5 0,003

En este sistema se cuenta con un dispositivo denominado Biolift, que combina el levantamiento del líquido a través de él con la transferencia de masa gas-líquido, lo que permite una mayor eficiencia en este último fenómeno, además de garantizar la recogida de biogás purificado sin contaminarse con el oxígeno producido en el metabolismo fotosintético de la microalga. El sistema, además de ser barato y fácil de implementar y operar, permite obtener una masa de algas con un contenido de 30 a 50% de proteína lista para el consumo animal, requiriéndose de un buen manejo del sistema biotecnológico.

Otro método biológico de purificación de biogás se basa en ponerlo en contacto con una mínima cantidad de oxígeno gaseoso, en presencia de una superficie líquida, logrando remover altos porcentajes de H2S(g) de forma sencilla y económica. En este método se hace uso de microorganismos presentes en la naturaleza que tienen la capacidad de transformar los sulfuros a azufre, eliminando la nocividad que causan los primeros al medio ambiente. En experimentos llevados a cabo a escala de laboratorio y piloto con biogás en concentraciones entre 0,1 y 3% de H2S y utilizando como líquido “vector” de las bacterias sulfoxidantes, albañal doméstico, se obtuvieron excelentes resultados52. En forma discontinua se variaron los tiempos de contacto entre el biogás y el oxígeno entre 1 y 24 h, utilizándose albañales domésticos de cuatro fortalezas o calidades diferentes. En las conclusiones fundamentales de ese trabajo se plantea que para todas las condiciones de operación estudiadas se obtenían más del 95% de remoción de H2S, inclusive para tiempos de contacto de sólo 1 h. Sin embargo, los mejores resultados se

403


alcanzaron cuando se utilizó residual albañal colectado en condiciones atmosféricas normales luego de ser almacenado durante 5 días.

En trabajos posteriores, en continuo, se obtuvieron remociones H2S de más del 98% para concentraciones de H2S entre 1 y 3% en el biogás, para menores de 1 h. Este método se presenta como uno de los más prometedores para ser aplicado en un próximo futuro y ya se viene utilizando en Alemania en digestores a nivel rural desde hace casi 10 años. El proceso Biopuric consiste, básicamente, en un filtro percolador que contiene bacterias sulfoxidantes (Thiothrix, Thiobacillus y Beggiatoa)53.

El sistema Thiopaq consiste también en la producción de azufre elemental a partir de H2S, proceso que llevan a cabo las bacterias oxidantes de sulfuro en un medio con limitada cantidad de oxígeno, pero en este caso, el H2S se absorbe en una unidad de lavado y posteriormente es oxidado biológicamente a azufre elemental, el que es separado de la fase acuosa54.

7.4.2.4 Métodos de filtración por membrana

Se han obtenido resultados alentadores en los estudios realizados sobre la aplicación de este método para purificar el biogás55-58. En este proceso de ósmosis inversa, se utilizan membranas semipermeables las cuales están construidas con polímeros orgánicos en diferentes configuraciones (espiral enrollada, tubular, fibra hueca), con el objetivo de “filtrar” el biogás. A presiones relativamente altas, entre 1 294 y 17 260 kPa y temperaturas inferiores a 48 oC, el CO2 se adhiere químicamente a la superficie de la membrana y migra por difusión a través de ésta.

En uno de los trabajos realizados sobre este sistema, se probaron 12 tipos de membranas, de diferentes materiales y composición, con relación a la potencialidad de permeación de CH4, CO2 y H2S. La membrana de acetato de celulosa fue la que mejores resultados aportó para las diferentes temperaturas y presiones de operación estudiadas.

Los materiales de las membranas son formulados especialmente para separar selectivamente determinados gases, principalmente CO2, del CH4 presente en el biogás, siendo la permeabilidad de la membrana una función directa de la solubilidad química del gas específico en la membrana. Las membranas usadas hasta el presente son muy frágiles y tienen poros excesivamente pequeños, por lo que se requiere un gas de entrada a las membranas limpio de material particulado. Estos sistemas requieren de mucho capital y generalmente se consideran no adecuados para aplicaciones a pequeña escala, aunque se han obtenido buenos resultados en estudios a nivel piloto usando membranas de poliamida y acetato de celulosa, las que demostraron ser efectivas en la remoción de CO2 y HsS del biogás59.

El proceso de permeación de un gas a través de una membrana polimérica no porosa es un proceso complejo que puede involucrar los pasos siguientes:

Adsorción del gas en una interfase de la membrana.

Solución del gas en la membrana en esa interfase.

404


Difusión activada del gas en, y, a través de la membrana.

Desprendimiento del gas de la solución por la interfase opuesta.

Desorción del gas de la última interfase.

7.5 Consideraciones finales

A pesar de la reconocida potencialidad energética del biogás, aún hoy en día éste se quema y se lanza a la atmósfera en muchas instalaciones que operan a escala real. En el futuro debe aprovecharse mucho más el biogás, especialmente en el propio sistema o planta de tratamiento para mantener a una temperatura óptima el proceso, sobre todo en las instalaciones donde se trabaja a temperatura ambiente, lo que contribuirá significativamente a elevar la estabilidad del sistema, o en el caso de un diseño nuevo, a aumentar la eficiencia del proceso. De igual forma, el biogás puede utilizarse para aumentar la tasa o velocidad de secado de los lodos que se generan en la planta, lo cual contribuiría, entre otras cosas, a disminuir la cantidad de terreno que se necesita para secar los lodos en lechos de secado, operación que, además, se ve seriamente afectada en épocas de lluvia.

Como se ha reflejado en este capítulo, numerosas son las variantes de métodos de purificación de biogás, pero en la práctica casi siempre existen limitaciones que, a la hora de diseñar un sistema purificador, no permiten contar con muchas alternativas concretas de selección. Por ejemplo, el empleo de agentes químicos está restringido a los países que lo producen, pues por una parte el costo resultará relativamente elevado y además, se dependerá de la producción de compuestos que en un momento dado pudieran ser de difícil adquisición. Los métodos de regeneración para éstos y otros sistemas también resultan ser, en ocasiones, algo complejos. Las variantes biológicas que son las mas atractivas para un futuro inmediato, resultan ser de aplicación limitadas en los países fríos.

Aunque los sistemas con limallas de hierro, para eliminar H2S, y las soluciones alcalinas (preferiblemente con cal), para la remoción de CO2, siguen siendo los métodos preferidos en instalaciones pequeñas en países con más limitaciones de recursos, todo parece indicar que los sistemas purificadores más factibles de aplicar deben combinar las variantes biológicas con los métodos físicos y químicos, empleando en estos últimos reactivos baratos y desechos de la producción, principalmente para instalaciones medianas y grandes.

7.6 Bibliografía

1. Purification steps for landfill gas utilization in cogeneration modules. H. Dernbach; K. Henning. Res. Conser., 14, 273-282, 1987.

2. In situ utilization of biogas in a poultry farm: heating, drying and animal breeding. Z. Jiang y col. Biomass, 14, 269-281, 1987.

405


3. Operation and performance of a biogas-fueled cogeneration systems. R. A. Pellerin y col. Energ. Agric., 6, 295-310,1987.

4. Natural gas from landfill gases. E. Pilarczyk y col. Res. Conser., 14, 283-294, 1987.5. Biogas clean-up and utilization. E. B. Camargo. Wat. Sci.Techn., 18, 143-150, 1986.6. A biological process for sulfate removal for industrial effluents. J. P. Maree y col. Water S. A.,

12, No.3, 1986.7. Purificación de Biogás. Edit. Sogesta, Italia. 1985.8. Problems related to safety and reliability of materials in environments polluted by hydrogen

sulfide. G. Cesarine. J. Pres. Ves. & Piping, 55, 313-323, 1993.9. Biological sulphate removal in an upflow packed bed reactor. J. P. Maree; W. Strydom. Wat.

Res., 19, 1 101-1 106, 1985.10. A study on compressed biogas and its application to the compression ignition dual-fuel engine.

J. Cheng-gin y col. Biomass, 20, 53-59, 1989.11. Uso de biogás en motores. J. C. Dell'Angelico; C. Sinopoli; C. Giunti; R. Haedo. En: Memorias

V Taller y Seminario Latinoamericano Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales, Viña del Mar, Chile, 1998.

12. Biogas. Energy recovery from animal wastes. Part I. E. P. Taiganides. World Animal, Review 35, 1980.

13. Biogás. Construcción, producción y utilización. Carlos Hernández. Edit.Comisión Nacional de Energía, La Habana, 1984.

14. Evidence of anoxic methane oxidation coupled to denitrification. S. Islas; F. Thalasso; J. Gómez. En: Memorias VII Taller y Simposio Latinoamericano de Digestión Anaerobia, Vol. Trabajos Orales, 57 – 62, Mérida, México, 2002.

15. Use of biogas power generation. M. A. Alder. En: Proceedings I.P.H.E. Symposium, Exeter, Inglaterra, 1987.

16. Reduction of H2S/NH3 production from pig faeces by controlling environmental conditions. Y. C. Chang y col. J. Envir. Sci. Health, Part A, 31, 139-156, 1996.

17. Biogas Purification Processes. J. C. Glaub; L. F. Díaz. Edit. Cal. Recovery Systems, Inc., Richmond, California, 1980.

18. Una nueva alternativa de purificación y almacenamiento de biogás para su uso en automotores. D. Alkalay. En: Memorias IV Seminario-Taller Latinoamericano sobre Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales, 435-444, Bucaramanga, Colombia, 1996.

19. Biotechnological treatment of sulfur and heavy metal pollution. L. Hulshoff Pol; P. Lens; J. Sipma; A. Janssen; J. Weijma; G. Lettinga. En: Memorias VI Taller y Seminario Latinoamericano Tratamiento Anaerobio de Aguas residuales, Vol. 1, 60 – 67, Recife, Brasil, 2000.

20. Bacterial desulfurization of biogas and clarified gas. K. Kruger; N. Volk. Chem. Tech-Leipzig, 46, 188-194, 1994.

21. Model-based control of feed rate and illuminance in a photosynthetic fed-batch reactor for HsS removal. B. W. Kin y col. Bioproc. Eng., 8, 263-269, 1993.

22. Use of photosynthetic bacteria for hydrogen sulfide removal from anaerobic waste treatment effluent. H. Kobayashi y col. Wat., Res., 17, No.5, 1983.

23. Biological control of hydrogen sulfide during microbial production of methane. F. Uyence; E. Que. En: Proceedings International Symposium on Biogas, Microalgae and Livestock Wastes, U.S.A., 1980.

24. Pilot plant studies on biological sulphate removal from industrial effluent. J. P. Maree y col. Wat. Sci. Techn., 23, 1293 -1300, 1991.

25. Controlling sulfur compounds in wastewater. J. P. Watkins. Chem. Engn., octubre 17, 1977.26. pH adjustment in anaerobic digestion. R. Marais. Wat. Res., 9, No.3, 1975.27. Effect of additives on biogas production from a substrate. J. de Waart. En: II Conference

Energy from biomass, U.S.A., 1982.

406


28. Effect of nickel on methane production and butiric acid utilization in a downflow fixed film reactor. M. Canovas-Díaz, J. A. Howell. Biot.Lett., 8, 287-292, 1986.

29. Reducing HsS from combustible biogas. European patent application 714856, Tioxide Group Services Ltd, London w14OQL, Inglaterra, 1996.

30. Effects of nickel, cobalt and molibdenum on performance of methanogenic fixed film reactors. W. Murria; L. van den Berg. Appl. Envir. Microb., 41, 502-505, 1981.

31. Utilization of activated carbon and carbon molecular sieves in biogas purification and methane recovery. E. Richter y col. En: Proceedings International Conference on Biomass, Venecia, Italia, 1985.

32. Utilización de adsorbentes sólidos para la eliminación del H2S(g) presente en el biogás. E. Fernández; S. Montalvo. En: Memorias IV Seminario-Taller Latinoamericano sobre Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales, 411-417, Bucaramanga, Colombia, 1996.

33. Go from HS to S in one unit. L. C. Harrison. En: Proceedings Hydrocarbon, U.S.A., 1985.34. Caracterización y desulfuración del biogás. M. López; S. Montalvo. Presentado en el X

Seminario Científico CNIC, Ciudad de la Habana, 1988.35. Utilización de residuos industriales para la eliminación del sulfuro de hidrógeno del biogás. M.

López; S. Montalvo. En: Memorias II Taller Regional sobre Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales en América Latina, Ciudad de la Habana, 1992.

36. Standard Methods for the examination of water and wastewater. AWWA, WPCF, APHA, 19th edit., 1995.

37. Hydrogen sulfide removal from anaerobic digester gas. R. Parameshwaran; D. Hills. Agric. Wastes, 11, 167-179. 1984.

38. Experiencias en el funcionamiento de la planta depuradora UASB vivero municipal durante los últimos 4 años. C. E. Sterling; L. H. Mora. En: Memorias V Taller y Seminario Latinoamericano Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales, Viña del Mar, Chile, 1998.

39. Eliminación de H2S mediante lavado químico y oxidación biológica. F. Fernández-Polanco; M. Martínez; F. Olmedo; J. García. En: Memorias IV Seminario-Taller Latinoamericano sobre Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales, 397-409, Bucaramanga, Colombia, 1996.

40. Chemical Engineering. Vol. 2. J. M. Coulson; J. F. Richardson. 4 th edit., Pergamon Press, London, 1994.

41. Gas purification. A. Khol; R. Riesenfeld. Gulf. Publication Co., Houston, 1974.42. The Handbook of Biogas Utilization. Ch. C. Ross y col. 2th U. S. Dept. Of Energy, Muscle

Shouls, Alabama, 1996. 43. Odour treatment and energy recovery in anaerobic sewage treatment plants. J. D. Pagliuso; F.

H. Passig; L. C. H. Villela. En: Memorias VII Taller y Simposio Latinoamericano de Digestión Anaerobia, Vol. Trabajos Orales, 553 – 560, Mérida, México, 2002.

44. Aerobic oxidation of hydrogen sulfide by Thiobacillus denitrificans. K. Sublette. Biot. Bioeng.,29, 690-695, 1987.

45. Oxidation of hydrogen sulfide by Thiobacillus denitrificans: desulfurization of natural gas. K. Sublette, N. Sylvester. Biot. Bioeng., 29, 249-257, 1987.

46. Characteristics of hydrogen sulfide removal by Thiobacillus thioxidans KS1 isolated from a carrier-packed biological deodorization system. K. Shinabe y col., J. Ferm. Bioeng., 80, 592-598, 1995.

47. Simultaneous removal of hydrogen sulfide and trimethylamine by bacterial deodorant. T. Hirano. J. Ferm. Bioeng., 81, 337-343, 1996.

48. Tracer studies and pressure drop in biofilters for control of odors in anaerobic systems. J. M. Morgan; S. Amaya; S. Revah; A. Noyola. En: Memorias VI Taller y Seminario Latinoamericano Tratamiento Anaerobio de Aguas residuales, Vol. 1, 188 – 196, Recife, Brasil, 2000.

49. Experiencia práctica sobre el tratamiento anaerobio y control de olores en efluentes de levadura. Ph. Conil; M. Martínez; J. P. Zamorano. En: IV Seminario-Taller Latinoamericano

407


sobre Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales, 419-428, Bucaramanga, Colombia, 1996.

50. Desodorização de digestor anaeróbio de lodo de tanque séptico através de biofiltração. F. A. Silva; H. Moreira; P. Belli Filho; En: Memorias VII Taller y Simposio Latinoamericano de Digestión Anaerobia, Vol. Trabajos Orales, 561 – 568, Mérida, México, 2002.

51. Biogas purification process using intensive microalgae cultures. J. L. Conde y col. Biot. Lett., 15, 317-320, 1993.

52. Utilización de oxígeno para la eliminación de H2S del biogás. E. Fernández; S. Montalvo. En: Memorias III Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica, Ciudad de la Habana, 1997.

53. Biological removal of hydrogen sulfide from biogas. J. Lanting; A. S. Shah. En: Proceedings 46th Industrial Wastes Conference, Purdue University, West Lafayette, Indiana, 1992.

54. Application of alkaliphilic sulfur – oxidizing bacteria for the removal of H2S from gas streams. B. P. Lomans; D. Y. Sorokin; A. J. H. Janssen; M. S. M. Jetten. J. G. Kuenen. En: Memorias VI Taller y Seminario Latinoamericano Tratamiento Anaerobio de Aguas residuales, Vol. 1, 188 – 196, Recife, Brasil, 2000.

55. Separation of gaseous mixtures of CO2 and CH4 using a composite membrane on ceramic tubing. M. Niwa y col. J. Memb. Sci., 39, 301-314, 1988.

56. Catalytic platinum-based membrane reactor for removal HsS from natural gas streams. D. J. Edlund; W. A. Pledger. J. Memb, Sci., 94, 111-119, 1994.

57. Removal of hydrogen sulfide from natural gas through an electrochemical membrane separator. S. R. Alexander; J. Winnick. AICHE. J., 40, 613-620, 1994.

58. Membrane purification of anaerobic digester gas. M. Kayhanian, D. J. Hills. Biol. Wastes, 23, 1-15, 1988.

59. Membrane separation of CO2 and H2S from biogas industrial cogeneration purposes. L. A. Calabro y col. En: Proceedings 50th Industrial Wastes Conference, Purdue University, West Lafayette, Indiana, 1995.

408

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