Purification and valorization of biogas for hydrogen production

Abstract

This doctoral research has a dual objective: First, to improve the purity and quality of biogas by removing hydrogen sulfide (H₂S) using dry adsorption techniques, and second, to utilize this refined biogas for hydrogen production through dry reforming, a process that involves the reaction of methane (CH₄) with carbon dioxide (CO₂) to produce syngas, i.e., hydrogen (H₂) and carbon monoxide (CO).In the first part of the dissertation (Part A), emphasis is placed on biogas purification through the removal of H₂S using dry adsorption with an industrial zeolite-type molecular sieve. The research includes experimental and theoretical approaches to understanding the adsorption process, examining factors such as temperature, H₂S concentration, gas feed composition, and adsorption/desorption cycles. The findings aim to contribute to the fundamental understanding of H₂S adsorption processes and provide insights for potential industrial applications. The second part of the dissertation (Part B) focuses on utilizing purified biogas for hydrogen production through dry reforming. The research involves experimental studies primarily using perovskite-based catalysts, exploring modifications to enhance catalytic activity and stability. Furthermore, a theoretical model is developed to simulate the dry reforming process, providing valuable information for process optimization. The inclusion of rare earth elements such as samarium in the catalysts and the investigation of new catalyst compositions contribute to the innovative aspects of the research. Additionally, the dissertation demonstrates a commitment to open-source initiatives by sharing public repositories on GitHub containing Python packages for both biogas adsorption and dry reforming. These repositories offer valuable tools for researchers in the field, promoting collaboration and accelerating innovation.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει διττό στόχο: Αρχικά, να βελτιώσει την καθαρότητα και την ποιότητα του βιοαερίου μέσω της απομάκρυνσης του υδρόθειου (H₂S) με τη χρήση τεχνικών ξηρής προσρόφησης και, δεύτερον, να αξιοποιήσει αυτό το εξευγενισμένο βιοαέριο για την παραγωγή υδρογόνου μέσω ξηρής αναμόρφωσης, μια διαδικασία που περιλαμβάνει την αντίδραση του μεθανίου (CH₄) με το διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) για την παραγωγή αερίου σύνθεσης, δηλαδή υδρογόνου (H₂) και μονοξειδίου του άνθρακα (CO).Στο πρώτο μέρος της διατριβής (Μέρος Α) δίνεται έμφαση στον καθαρισμό του βιοαερίου μέσω της απομάκρυνσης του H₂S με τη χρήση ξηρής προσρόφησης με ένα βιομηχανικό μοριακό κόσκινο, ζεολιτικού τύπου. Η έρευνα περιλαμβάνει πειραματικές και θεωρητικές προσεγγίσεις για την κατανόηση της διαδικασίας προσρόφησης, εξετάζοντας παράγοντες όπως η θερμοκρασία, η συγκέντρωση H₂S, το μίγμα των αερίων στην τροφοδοσία και οι κύκλοι προσρόφησης/εκρόφησης. Τα ευρήματα έχουν ως στόχο να συμβάλουν στη θεμελιώδη κατανόηση των διεργασιών προσρόφησης H₂S και να παράσχουν πληροφορίες για πιθανές βιομηχανικές εφαρμογές. Το δεύτερο μέρος της διατριβής (Μέρος Β) επικεντρώνεται στην αξιοποίηση του καθαρισμένου βιοαερίου για την παραγωγή υδρογόνου μέσω ξηρής αναμόρφωσης. Η έρευνα περιλαμβάνει πειραματικές μελέτες με τη χρήση κατά κύριο λόγο καταλυτών που προέρχονται από περοβσκίτη, διερευνώντας τροποποιήσεις για την ενίσχυση της καταλυτικής δραστικότητας και σταθερότητας. Επιπλέον, αναπτύσσεται ένα θεωρητικό μοντέλο για την προσομοίωση της διεργασίας ξηρής αναμόρφωσης, παρέχοντας πολύτιμες πληροφορίες για τη βελτιστοποίηση της διεργασίας. Η συμπερίληψη λανθανίδων όπως η σαμάρια στους καταλύτες και η διερεύνηση νέων συνθέσεων καταλυτών συμβάλουν μεταξύ άλλων στην καινοτομία της έρευνας.Επιπλέον, η διατριβή επιδεικνύει δέσμευση σε πρωτοβουλίες ανοικτού κώδικα, παραθέτοντας δημόσια αποθετήρια στο git hut με πακέτα Python τόσο για την προσρόφηση όσο και για την ξηρή αναμόρφωση βιοαερίου. Αυτά τα αποθετήρια παρέχουν πολύτιμα εργαλεία για τους ερευνητές του τομέα, προωθώντας τη συνεργασία και επιταχύνοντας την καινοτομία.