CC BY
59
Международный научно-исследовательский журнал ■ № 1 (43) ■ Часть 2 ■ Январь
DOI: 10.18454/IRJ.2016.43.114 Турчанович И. Е.1, Турчанович Н. Н.2
1 Магистр, Дальневосточный Федеральный Университет; 2магистр, Дальневосточный Федеральный Университет СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЦЕОЛИТЫ. ОЧИСТКА БИОГАЗА ОТ БАЛЛАСТНЫХ ПРИМЕСЕЙ
Аннотация
В статье ставится задача - рассмотреть типы цеолитов с разной адсорбционной ёмкостью при известных параметрах биогаза, с целью подбора и использования их в качестве фильтров.
Ключевые слова: цеолит, синтетические цеолит, адсорбция, адсорбер, биогаз, балластные газы, адсорбционная ёмкость.
Turchanovich I. E.1, Turchanovich N. N.2
1Master, Far East Federal University; 2master, Far Eastern Federal University SYNTHETIC ZEOLITES. BIOGAS PURIFICATION FROM BALLAST CONTAMINATS
Abstract
The article raises the problem - consider the types of zeolites with different adsorption capacity under certain parameters of biogas, in order to select and use them as filters.
Keywords: zeolite, synthetic zeolite, adsorption, adsorber, biogas, ballast gases, adsorption capacity
Введение
Цеолиты - большая группа близких по составу и свойствам минералов, водные алюмосиликаты кальция и натрия из подкласса каркасных силикатов, со стеклянным или перламутровым блеском. Их главное отличие в том, что они поглощают и выделяют не только воду, но и другие различные молекулы без изменения кристаллической структуры. Поглощение цеолитами молекул связано с явлением адсорбции - концентрированием вещества из газовой фазы на поверхности твердого тела (адсорбента) или в объёме, образуемых его структурой пор.
Использование природных цеолитов было ограниченно ввиду малой адсорбционной способности, они применялись для газов и жидкостей с примесями небольшого размера молекул, поэтому их использовали только для уменьшения жесткости воды. Ситуация изменилась, когда в 50-х годах в лаборатории Р. Баррера были получены первые синтетические цеолиты. Исследования показали, что искусственно синтезированные цеолиты в качестве адсорберов имеют уникальные свойства, так как способны поглощать все компоненты сложных смесей. Также, они способны очищать вещества даже от незначительного количества нежелательных примесей, что очень важно для некоторых видов промышленности.
Основная часть
Одно из направлений использования цеолитов - очистка биогаза от балластных газов. Биогаз получают путем брожения биомассы (сельскохозяйственные отходы, твёрдобытовые отходы, отходы канализационных стоков) при температуре 25 - 40°С, газ выходит в водонасыщенном состоянии. Исходя из этого процесса биогаз насыщен водяным паром и содержит помимо метана (CH4) двуокись углерода (СО2) и существенное количество сероводорода (H2S). Очищение от балластных газов повышает теплотворную способность биогаза, предотвращает коррозию трубопроводов и оборудования системы газоснабжения.
Зная химический состав и количество выделяемого биогаза, а также процентное содержание каждого компонента, можно подобрать тип и объём цеолита.
Подбор типа цеолита ведётся при помощи графиков составленных по таблицам[14 см. таб.8.1-8.11]. Адсорбер выбирается исходя из температуры биогаза и адсорбционной способности цеолита при определённом давлении, а также с учетом того, чтобы вместе с балластом не удалялся метан или его потери были минимальны. Знание диаметров молекул позволяет уточнять исключающие моменты работы адсорберов.
Таблица 1 - Газокинетические диаметры молекул[10
Диаметр, Компонент м нп А
1 2 3 4
Метан 4,44-т-10 0,444 4,44
Пары воды 3-10-10 0,3 3
Сероводород 3,24-10-10 0,324 3,24
Двуокись углерода 4,5410-10 0,454 4,54
Были рассмотрены такие типы цеолитов как NaA, NaX, CaA. Согласно источнику [14], синтетические цеолиты адсорбируют необходимые вредности. На территории России есть крупные поставщики цеолитов такие как: ООО «Цеолит-Трейд», АкваХим, OOO «СкатЗ».
По графикам, изображённым на рисунках 1-3 можно сделать вывод, что при температуре 25°С адсорбционная ёмкость рассмотренных цеолитов больше, следовательно фильтр в большём количестве улавливает балластные газы.
71
Международный научно-исследовательский журнал ■ № 1 (43) ■ Часть 2 ■ Январь
Рис. 1 - График, иллюстрирующий способность цеолита NaA адсорбировать пары воды при различных давлениях
и температурах
Рис. 2 - График, иллюстрирующий способность цеолита СаА адсорбировать пары воды при различных давлениях
и температурах
72
Международный научно-исследовательский журнал ■ № 1 (43) ■ Часть 2 ■ Январь
Рис. 3 - График, иллюстрирующий способность цеолита NaX адсорбировать пары воды при различных давлениях
и температурах
Рис. 4 - График, иллюстрирующий способность цеолитов NaA, CaA и NaX адсорбировать пары воды при
различных давлениях и температурах
По графику, изображённому на рисунке 4 видно, что для очистки от паров воды предпочтителен цеолит NaX. Однако необходимо проверить способности цеолита улавливать молекулы метана. Что показывает график, изображенный на рисунке 5.
73
Международный научно-исследовательский журнал ■ № 1 (43) ■ Часть 2 ■ Январь
Рис. 5 - График, иллюстрирующий способность цеолитов NaA, CaA и NaX адсорбировать метан при различных
давлениях и температурах
Так как способность адсорбировать метан у цеолита NaX наибольшая, из рассмотренных типов цеолита при повышении температуры, в дальнейшем исследовании нет смысла рассматривать данный тип цеолита, что упрощает их подбор для адсорбции паров воды, сероводорода и углекислого газ.
Так же необходимо знать, что цеолит NaA при температуре свыше 27°С (температура входящая в диапазон, при котором газ выходит из биореактора) не адсорбирует молекулы больше 4А. Эти данные показывают предпочтение в выборе цеолита NaA.
В качестве цеолита для адсорбции паров воды выбран тип NaA.
Рис. 6 - График, иллюстрирующий способность цеолита CaA адсорбировать сероводород при различных
давлениях
74
Международный научно-исследовательский журнал ■ № 1 (43) ■ Часть 2 ■ Январь
Для сероводорода выбран цеолит CaA, так как цеолит NaA не задерживает данные молекулы. График зависимости адсорбционной ёмкости от давления изображён на рисунке 6.
Рис. 7 - График, иллюстрирующий способность цеолитов NaA и CaA адсорбировать углекислый газ при
различных давлениях
Цеолит СаА подобран для адсорбции от двуокиси углерода. Если применить цеолит NaA, то при 25°С цеолит будет адсорбировать углекислый газ и метан, при повышении температуры цеолит не будет адсорбировать данные молекулы вовсе.
Для углекислого газа выбран цеолит CaA, в соответствии с графиками изображенными на рисунках 5 и 7. Методика расчёта загрузки цеолита.
Месячная загрузка фильтрующего вещества i-го вредного компонента определяется по формуле:
(?це ол. i = 3 0штц - 1 0 _ 6, т/месяц (1)
где
Чцеол . i - месячная загрузка фильтрующего вещества i-го вредного компонента, т/месяц;
тц - масса цеолита, которая способна адсорбировать суточный объём i-го компонент. Определяется по формуле:
тц = —, г/сутки (2)
где
тц- см. формулу 1;
тi - масса i-го компонента, проходящего за сутки через цеолит, г/сутки; xi - адсорбционная ёмкость цеолита для i-го компонента, г/г.
Масса i-го компонента проходящего за сутки через цеолит, определяется с помощью соотношение:
т,- Vi Vi ,,
— = —; тi = — ■ Mi, г
Mi Vxm VXM
(3)
где
см. формулу 2;
Vi - объём i-го компонента, л/сутки, процентное содержание от всего суточного объёма газа;
Vxm - молярный объём i-го компонента при известных характеристиках процесса адсорбции, л/сутки;
Mi- молярная масса i-го компонента.
Молярный объём при известных характеристиках процесса адсорбции определяется по уравнению состояния идеального газа:
Р'Ум
Т
PX'VX М. ТТ __
т ; VXM =
1Х
Р-Ум-тх
Т-Рх
, л/сутки
(4)
где
M i - см. формулу 3;
Р - давление газа при нормальных условиях, 101,3 кПа (760 мм.рт.ст.);
Vj - молярный объём, 22,4 л/моль;
Т — температура газа при нормальных условиях, 0°С (273°К);
- давление при процессе адсорбции;
Vxm - см. формулу 3;
- температура при процессе адсорбции.
В биогазе количество воды составляет 50 грамм на 1 м3 газа. Формула для определения ш{.
тi = 5 0 ■ VT, г / сутки (5)
75
Международный научно-исследовательский журнал ■ № 1 (43) ■ Часть 2 ■ Январь
где
m i - см. формулу 2;
Vr - объём биогаза в сутки, м3/сутки.
Фильтры подбираются с учётом плотности и расхода цеолита по формуле:
Уце ол . i = 2ц°±, м3/месяц (6)
Рцеол.1
где
Уцеол.i - объём (размер) фильтра для адсорбции i-го компонента;
Q^<m i - см. формулу 1; р . - плотность цеолита, г/см3.
Результаты:
Характеристики цеолита приняты с учётом известной температуры газа на выходе в пределе от 25 до 40°С. Приняты оптимальные значения адсорбционной ёмкости с целью уменьшения затрат денежного капитала на дополнительное оборудование (теплообменники для отвода/подвода теплоты и устройства изменения давления).
Таблица 2 - Характеристики цеолита для очистки от балластных газов
Компонент Тип цеолит Адсорбционная ёмкость, г/г Насыпная плотность, г/см3
1 2 3 4
^O NaA 0,25 0,75
H2S СаА 0,28 0,75
О О to СаА 0,2 0,75
Заключение
1. Данные характеристики цеолита помогут в дальнейшем исследовании устройства биогазовых установок и их компоновки.
2. Требуется дополнительное изучение влияния изменения температуры и давления газа на процесс очистки.
3. Необходимо выполнить расчёт технико-экономических показателей цеолитовых фильтров и сравнить стоимость данной системы с другими системами очистки.
4. Для более полного исследования очистки биогаза цеолитовыми фильтрами запроектирована научноисследовательская установка.
Литература
1. ГОСТ 5542-87. Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Дата введения 01.01.88.
2. УДК 504.064.2.001.18. Рекомендации по расчету образования биогаза и выбору системы дегазации на полигонах захоронений твердых бытовых отходов / Государственный комитет Российской Федерации по строительству и жилищно-коммунальному комплекс Федеральный центр благоустройства и обращения с отходами -МОСКВА 2003.
3. Биогаз. Состав, расчет, производство биогаза. [Электронный ресурс] URS: http://www.eti.su/articles/over/over_404.html (дата обращения 10.10.2015).
4. Вершинина Н.Н., Турчанович И.Е. Биогаз. Перспективы использования, 2013.
5. В. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер. Биогаз теория и практика. - М.:Колос. 1982.
6. Веденев А.Г., Веденева Т.А., Биогазовые технологии в Кыргызской Республике, 2006. — 90с.
7. Барбара Эдер, Хайнц Шульц. 1996 г. Биогазовые установки. Практическое пособие. Перевод с немецкого выполнен компанией Zorg Biogas в 2008 г. 0-268 с.
8. Биогазовые установки для сельского хозяйства фирмы АО Центр «ЭКОРОС» [Электронный ресурс] URS: http://itk-energo.narod.ru/Predlogenie2.2.htm (дата обращения 12.10.2015).
9. Источник: http://zorgbiogas.ru. Биогазовые установки Кому выгодно строить биогазовую станцию?. [Электронный ресурс] URL: http://esco.co.ua/journal/2010_7/art006.htm (дата обращения 12.10.2015).
10. Профессор Бекман И.Н. МЕМБРАНЫ В МЕДИЦИНЕ [Электронный ресурс] URL: http://profbeckman.narod.ru/MedMemb.files/medmemb5.pdf (дата обращения 13.10.2015)
11. Солнце, ветер, биогаз! Альтернативные источники энергии: экологичность и безопасность. Проблемы, перспективы, производители. 2005. — 174 с
12. Елисеева И.С. Становление и развитие производства синтетических цеолитов - 2003.
13. Вершинина Н.Н., Турчанович И.Е. Технология получения биогаза от переработки отходов фермерских, 2014.
14. Д. Брек Цеолитовые и молекулярные сита. / Перевод с английского выполнен А.Л. Клячко, И.В.Мишина, В.И.Якерсона -1976.
15. Цеолиты / OOO «СкатЗ», группа компаний ОАО «Газпром нефтехим Салават». [Электронный ресурс] Режим доступа: http://skatz.ru/uploads/static/6/zeolites.pdf (дата обращения 10.10.15).
16. Цеолиты [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D6%E5%EE%EB%E8%F2%FB (дата обращения 13.10.2015).
17. Garrison (Игорь), Yus (Александр) Цеолиты, их некоторые свойства и применение в аквариуме. [Электронный ресурс] URL: http://aquacontrol.narod.ru/zeolit/zeolite_1.htm (дата обращения 12.10.15).
76
Международный научно-исследовательский журнал ■ № 1 (43) ■ Часть 2 ■ Январь
References
1. GOST 5542-87. Combustible natural gases for industrial and household purpose Date 01.01.88
2. UDC 504.064.2.001.18. Guidelines for the calculation of biogas and the choice of gas drainage system in the landfill of municipal solid waste / State Committee of the Russian Federation on construction and housing and communal complex of the Federal Center of accomplishment and waste management- Moscow 2003.
3. Biogas. The composition, calculation, production of biogas. [Electronic resource] URS:
http://www.eti.su/articles/over/over_404.html (date of treatment 10.10.2015).
4. Vershinina N.N., Turchanovich I.E. Biogas. Prospects for the use, 2013.
5. V. Baader, Don E., M. Brennderfer. Biogas theory and practice. - Moscow: Kolos. 1982
6. Vedeneev A.G., Vedeneyeva T.A., Biogas Technology in the Kyrgyz Republic, 2006. - 90 p.
7. B. Eder, H. Schulz. 1996 Biogas plants. A Practical Guide. Transfer from German made by Zorg Biogas in 2008 with
0-268 p.
8. Biogas plants for agricultural company JSC Center "ECOROS" [Electronic resource] URS: http://itk-energo.narod.ru/Predlogenie2.2.htm (date of treatment 10.12.2015).
9. Source: http://zorgbiogas.ru. Biogas plants To build a profitable biogas plant? [Electronic resource] URL: http://esco.co.ua/journal/2010_7/art006.htm (date of treatment 10.12.2015).
10. Professor Beckman J.N. Membranes in medicine [Electronic resource] URL: http://profbeckman.narod.ru/MedMemb.files/medmemb5.pdf (date of treatment 10/13/2015)
11. Sun, wind, biogas! Alternative energy sources: environmental friendliness and safety. Problems, prospects, vendors. 2005 - 174p.
12. Eleseeva I. Formation and development of the production of synthetic zeolites - 2003.
13. Vershinina N.N., Turchanovich I.E Technology biogas from farm waste 2014.
14. D. Brek Zeolite molecular sieves. /Translated from the English executed AL Klyachko, I.V.Mishina, V.I.Yakersona -1976.
15. Zeolites / OOO «SkatZ", the group of companies of " Gazprom Salavat neftekhim." [Electronic resource] Access: http://skatz.ru/uploads/static/6/zeolites.pdf (date treatment 10/10/15).
16. Zeolites [electronic resource] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D6%E5%EE%EB%E8%F2%FB (date of treatment 10.13.2015).
17. Garrison (Igor), Yus (Alexander) Zeolites, some of their properties and applications in the aquarium. [Electronic resource] URL: http://aquacontrol.narod.ru/zeolit/zeolite_1.htm (date treatment 10/12/15).
DOI: 10.18454/IRJ.2016.43.039 Федюк Р.С.1, Храмов Д.А.2
:ORCID: 0000-0002-2279-1240, Старший преподаватель, 2студент,
Дальневосточный федеральный университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРИСТОСТИ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ НА КОМПОЗИЦИОННОМ ВЯЖУЩЕМ
Аннотация
В статье представлены результаты определения пористости цементного камня. Определен ряд положительных факторов, способствующих улучшению физико-механических характеристик цементных композитов за счет введения кремнеземсодержащих добавок.
Ключевые слова: пористость, цементный камень, композиционное вяжущее.
Fediuk R.S.1, Khramov D.A.2
:ORCID: 0000-0002-2279-1240, Senior lecturer, 2student,
Far Eastern Federal University
RESEARCH ON POROSITY OF THE CEMENT STONE OF COMPOSITE BINDERS
Abstract
The article presents the results of determining the porosity of the cement stone. It identified a number of positive factors that contribute to the improvement of the physical and mechanical characteristics of cement composites by introducing the silica-containing additives.
Keywords: porosity, cement stone, composite binders.
Numerous studies have found that the physical and mechanical properties of the cement stone: strength, deformability, p ermeability, frost resistance, etc. Are in direct relation not only to crystalline growths in a cement stone structure, but also on the size, configuration and number of pores. Concrete is a capillary-porous material permeated the pores and capillaries of different sizes.
According to L. Sarcar Shondeep [1], the origin of the pores in the cement stone, its size and type can be represented as follows (tab. 1).
77
