BR102021013839A2 - AGROINDUSTRIAL EFFLUENT CONCENTRATION PROCESS BY REDUCING THE WATER CONTENT AND USE OF THE CONCENTRATE PRODUCT AND PROCESS BY-PRODUCTS - Google Patents
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Abstract
A presente invenção fornece um processo de concentração de efluentes agroindustriais, em particular da vinhaça. O processo tem como produto a vinhaça concentrada, a qual tende a reduzir a logística de transporte deste efluente, bem como reduzir as emissões de gases do efeito estufa associados aos processos e atividades da agroindústria. A concentração eletrolítica da vinhaça tem como subprodutos os gases hidrogênio e oxigênio. A partir dos subprodutos obtidos anteriormente ê possível fornecer uma cadeia de utilização de forma a agregar valor a eles. Tal cadeia de valores compreende, o uso do oxigênio, subproduto do concentrador eletrolítico de vinhaça, para produzir energia elétrica a partir da combustão do tipo oxy-chama de um combustível, adicionalmente, gerando energia elétrica a partir da energia de condensação da água contida no fluxo de gases de escape do sistema de combustão de oxy-chama gerado pela combustão de um combustível com gás oxigênio, adicionalmente, fornecendo a separação do conteúdo da corrente de gás de escape da combustão de oxy-chama, aplicável exemplarmente para captura e armazenamento de carbono (CCS) ou captura e utilização de carbono (CCU), e adicionalmente ainda, a produção de insumos químicos pela reação química do gás hidrogênio, subproduto do concentrador eletrolítico de vinhaça, com corrente rica em dióxido de carbono, por exemplo, gás nitrogênio. The present invention provides a process for concentrating agro-industrial effluents, in particular vinasse. The process uses concentrated vinasse as a product, which tends to reduce the logistics of transporting this effluent, as well as reducing greenhouse gas emissions associated with agroindustry processes and activities. The electrolytic concentration of vinasse has hydrogen and oxygen gases as by-products. From the by-products obtained above, it is possible to provide a chain of use in order to add value to them. This chain of values includes the use of oxygen, a by-product of the electrolytic vinasse concentrator, to produce electrical energy from the oxy-flame type combustion of a fuel, additionally generating electrical energy from the condensation energy of the water contained in the Exhaust gas flow of oxy-flame combustion system generated by combustion of a fuel with oxygen gas, additionally providing separation of the content of exhaust gas stream from oxy-flame combustion, exemplary applicable for capture and storage of (CCS) or carbon capture and utilization (CCU), and additionally, the production of chemical inputs by the chemical reaction of hydrogen gas, a by-product of the vinasse electrolytic concentrator, with a current rich in carbon dioxide, for example, nitrogen gas .
Description
[001] A presente invenção se insere no ramo da química e tratamento de efluentes, e refere-se a um processo de tratamento e concentração de águas residuais agroindustriais, mais especificamente, refere-se a um processo de concentração de efluentes agroindustriais, preferencialmente vinhaça, pela redução do teor de água, por meio da eletrólise, e adicionalmente o uso dos subprodutos do processo como uma cadeia de valores habilitada pela concentração eletrolítica de seus efluentes agroindustriais.[001] The present invention is part of the field of chemistry and effluent treatment, and refers to a process for the treatment and concentration of agro-industrial wastewater, more specifically, it refers to a process for the concentration of agro-industrial effluents, preferably vinasse , by reducing the water content through electrolysis, and additionally using the by-products of the process as a value chain enabled by the electrolytic concentration of its agro-industrial effluents.
[002] Os processos agroindustriais, como a produção de biocombustíveis, ou mais amplamente os associados á fermentação, tendem a gerar grandes quantidades de efluentes, incluindo, embora não se limitando a, vinhaça, que, por exemplo, é um subproduto das indústrias produtoras de bioetanol e pode ter alto teor de água, geralmente superior a 95% (CORTES-RODRÍGUEZ et al., 2018). A vinhaça pode ser utilizada como fertilizante, por exemplo, através de processos de fertirrigação, embora este esteja relacionado a problemas econômicos e ambientais.[002] Agroindustrial processes, such as the production of biofuels, or more broadly those associated with fermentation, tend to generate large amounts of effluents, including, but not limited to, vinasse, which, for example, is a by-product of the producing industries of bioethanol and may have a high water content, generally greater than 95% (CORTES-RODRÍGUEZ et al., 2018). Vinasse can be used as fertilizer, for example, through fertigation processes, although this is related to economic and environmental problems.
[003] Assim como fertilizante, efluentes agroindustriais, como a vinhaça, podem representar uma alternativa econômica e de baixa pegada de carbono aos fertilizantes comerciais (termo usado de forma intercambiável aqui com fertilizantes minerais para se referir a fertilizantes sintéticos). No entanto, quando aplicada à plantação no campo como produzida (ou seja, in natura), a vinhaça pode causar problemas ambientais e restrições econômicas relacionadas, incluindo, embora não limitados, às emissões de gases de efeito estufa e altos custos com logística de transporte.[003] Like fertilizer, agro-industrial effluents such as vinasse can represent an economical and low-carbon alternative to commercial fertilizers (a term used interchangeably here with mineral fertilizers to refer to synthetic fertilizers). However, when applied to field crops as produced (i.e., in natura), vinasse can cause environmental problems and related economic constraints, including, but not limited to, greenhouse gas emissions and high transportation logistics costs. .
[004] Sabe-se que a aplicação de vinhaça ã plantação de cana-de-açúcar é responsável por promover maior liberação de gases de efeito estufa, estando relacionada, embora não limitado a, queima de combustíveis fósseis (e.g. diesel) por veículos durante o transporte desses efluentes e promoção de maiores quantidades de emissão de gases de efeito estufa do solo da plantação de cana de açúcar, (CARMO, et. al, 2012), (CHRISTOFOLETTI, et. al, 2013), (OLIVEIRA, et. al, 2013), (GALLO, et. al, 2019).[004] It is known that the application of vinasse to the sugarcane plantation is responsible for promoting greater release of greenhouse gases, being related, although not limited to, burning of fossil fuels (e.g. diesel) by vehicles during the transport of these effluents and promotion of greater amounts of greenhouse gas emissions from the soil of the sugar cane plantation, (CARMO, et. al, 2012), (CHRISTOFOLETTI, et. al, 2013), (OLIVEIRA, et. al, 2013), (GALLO, et. al, 2019).
[005] A preocupação econômica está relacionada ao custo do transporte da vinhaça, que tende a se tornar antieconômico versus fertilizantes minerais, ã medida que a distância da fonte de produção ao ponto de aplicação se torna considerável (RABELO, et. al, 2015), et. al, 2018). Além disso, os fertilizantes minerais associam uma maior pegada de carbono s comodities vendidas pelas indústrias agrícolas associadas.[005] The economic concern is related to the cost of transporting vinasse, which tends to become uneconomical versus mineral fertilizers, as the distance from the production source to the point of application becomes considerable (RABELO, et. al, 2015) , et. al, 2018). In addition, mineral fertilizers associate a greater carbon footprint with commodities sold by associated agricultural industries.
[006] Por outro lado, a redução da quantidade de água nos efluentes pode trazer benefícios, associados às preocupações econômicas e ambientais citadas. Por exemplo, a concentração evaporativa de vinhaça é uma das maneiras de realizar tal redução de forma térmica, no entanto, tende a envolver altas demandas de calor e custos de investimento (NAKASHIMA & OLIVEIRA JÚNIOR, 2020). Esses fatores podem ter restringido a implementação desse processo evaporativo na indústria sucroalcooleira, por exemplo.[006] On the other hand, reducing the amount of water in effluents can bring benefits associated with the aforementioned economic and environmental concerns. For example, the evaporative concentration of vinasse is one of the ways to carry out such a reduction thermally, however, it tends to involve high heat demands and investment costs (NAKASHIMA & OLIVEIRA JÚNIOR, 2020). These factors may have restricted the implementation of this evaporative process in the sugar and alcohol industry, for example.
[007] Além disso, existe um desejo global por sistemas e processos com emissão nula de gases de efeito estufa, e ainda mais por sistemas e processos com emissão negativa de gases de efeito estufa, onde na agricultura estas emissões podem atingir grandes escalas. Ademais, processos com emissão negativa de gases de efeito estufa, potencialmente, estimulam o aumento da lucratividade de produtos vendidos pelas indústrias, como tendências do mercado verde.[007] In addition, there is a global desire for systems and processes with zero emission of greenhouse gases, and even more for systems and processes with negative emission of greenhouse gases, where in agriculture these emissions can reach large scales. Furthermore, processes with negative greenhouse gas emissions potentially stimulate increased profitability of products sold by industries, such as green market trends.
[008] Diante do exposto e de forma a solucionar os problemas e limitações no campo técnico em questão, descritos anteriormente, o objetivo da invenção é fornecer uma maneira de tratar e remover água de efluentes agroindustriais, de preferência, embora não limitado à vinhaça, por meio de eletrólise, e dessa forma possibilitar uma cadeia de valores a partir do uso dos subprodutos deste processo, que superam os aspectos econômicos, as preocupações e os problemas ambientais mencionados neste documento.[008] In view of the above and in order to solve the problems and limitations in the technical field in question, described above, the objective of the invention is to provide a way to treat and remove water from agro-industrial effluents, preferably, although not limited to vinasse, through electrolysis, and thus enable a chain of values from the use of by-products of this process, which overcome the economic aspects, concerns and environmental problems mentioned in this document.
[009] Os gases hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) gerados no processo de concentração eletrolítica do efluente, em particular a vinhaça, podem se tornar comodities para a agroindústria, ou podem ser usados como insumos em processos avançados de combustão ou combinados com outras moléculas para a síntese de moléculas químicas sintéticas ou em processos biológicos, dessa forma caracterizando a invenção como vantajosa frente às tecnologias encontradas no estado da técnica relacionadas ao campo técnico em questão.[009] Hydrogen (H2) and oxygen (O2) gases generated in the effluent electrolytic concentration process, in particular vinasse, can become commodities for the agroindustry, or can be used as inputs in advanced combustion processes or combined with other molecules for the synthesis of synthetic chemical molecules or in biological processes, thus characterizing the invention as advantageous compared to technologies found in the state of the art related to the technical field in question.
[010] No estado da técnica, existem diversos documentos que apresentam processos de tratamento de vinhaça, entretanto, a grande maioria empregando outras técnicas e condições, e abrangendo soluções distintas da presente invenção.[010] In the state of the art, there are several documents that present vinasse treatment processes, however, the vast majority employing other techniques and conditions, and covering different solutions of the present invention.
[011] O documento CN104371780B utiliza eletricidade de fontes eólica ou solar abandonadas para decompor matéria orgânica, contida em efluentes industriais, por eletrólise e o uso dos subprodutos para obter gás natural sintético por meio da gaseificação de carvão mineral. Já o documento WO2016035288A1 se refere a um processo para produzir água funcional eletrolisada útil para o crescimento de plantas. O documento BR1120140194602 trata de um eletrodo e de um método eletroquímico para redução da demanda química de oxigênio, ou seja, decomposição de matéria orgânica de efluentes industriais, alinhado com o documento citado anteriormente.[011] Document CN104371780B uses electricity from abandoned wind or solar sources to decompose organic matter, contained in industrial effluents, by electrolysis and the use of by-products to obtain synthetic natural gas through coal gasification. Document WO2016035288A1 refers to a process for producing electrolyzed functional water useful for plant growth. Document BR1120140194602 deals with an electrode and an electrochemical method for reducing the chemical demand for oxygen, that is, decomposition of organic matter from industrial effluents, in line with the document cited above.
[012] A dissertação de mestrado de Corrêa (Corrêa, 2010), intitulada "Produção de Hidrogênio a partir da Vinhaça", trata de um método biológico e outro eletroguímico para reduzir a demanda química de oxigênio e, consequentemente, os impactos ambientais decorrentes do uso da vinhaça pelas indústrias sucroalcooleiras, bem como a produção de hidrogênio, através da biodigestão anaeróbica ou eletrólise, para aplicação como um combustível alternativo.[012] Corrêa's master's thesis (Corrêa, 2010), entitled "Production of Hydrogen from Vinasse", deals with a biological and an electrochemical method to reduce the chemical demand for oxygen and, consequently, the environmental impacts arising from the use of vinasse by the sugar and alcohol industries, as well as the production of hydrogen, through anaerobic digestion or electrolysis, for application as an alternative fuel.
[013] O documento US20070062820 trata de um sistema para tratamento de águas residuais por eletrólise, onde o objetivo é gerar oxigênio necessário para promover a decomposição microbiana da matéria orgânica contida nestes efluentes. Somado, este documento de patente propõe o uso do subproduto deste processo eletrolítico, dito hidrogênio, para alimentar uma célula a combustível e assim reduzir o consumo geral de energia do processo de tratamento.[013] Document US20070062820 deals with a system for treating wastewater by electrolysis, where the objective is to generate oxygen necessary to promote the microbial decomposition of the organic matter contained in these effluents. In addition, this patent document proposes the use of the by-product of this electrolytic process, called hydrogen, to feed a fuel cell and thus reduce the overall energy consumption of the treatment process.
[014] O documento KR101915261B1 trata de um método para produzir energia para uma estação de tratamento de águas residuais. No processo, a água separada do processo de tratamento de águas residuais é utilizada para gerar hidrogênio, o qual é utilizado, junto com CO2 da combustão de biogás, para produzir metano, o qual é utilizado para alimentar o sistema de geração de potência por queima de biogás e assim gerar energia extra.[014] Document KR101915261B1 deals with a method to produce energy for a wastewater treatment plant. In the process, water separated from the wastewater treatment process is used to generate hydrogen, which is used, together with CO2 from biogas combustion, to produce methane, which is used to feed the power generation system by burning of biogas and thus generate extra energy.
[015] O documento PI0401563-0 trata de um processo e de um equipamento para tratamento de vinhaça. O processo se refere ã decomposição da matéria orgânica contida na vinhaça por eletrólise. O equipamento se refere a uma coluna de evaporação para remoção da água contida na vinhaça tratada por eletrólise. O residuo não gasoso da coluna de evaporação é um fertilizante organo-mineral. O documento US9512017B2 trata de uma nova célula eletrolítica para tratamento de efluentes a qual promove a redução da demanda química de oxigênio do efluente pela decomposição da matéria orgânica por eletrólise.[015] Document PI0401563-0 deals with a process and equipment for treating vinasse. The process refers to the decomposition of the organic matter contained in the stillage by electrolysis. The equipment refers to an evaporation column for removing the water contained in the vinasse treated by electrolysis. The non-gaseous residue from the evaporation column is an organo-mineral fertilizer. Document US9512017B2 deals with a new electrolytic cell for treating effluents which promotes the reduction of the effluent's chemical demand for oxygen due to the decomposition of organic matter by electrolysis.
[016] Como descrito acima, não há um documento no estado da arte que lide com a redução do volume de efluentes agroindustriais, em particular da vinhaça, através da redução da fração de água por meio de eletrólise. Foram encontrados documentos que tratam da concentração da vinhaça por meios térmicos. Também foram encontrados documentos que tratam da decomposição de matéria orgânica contida em efluentes por meio da eletrólise. Há também documentos que visam a redução da demanda química de oxigênio da vinhaça, sendo em um documento, concomitantemente a produção de hidrogênio para aplicação como combustível alternativo. Contudo, não foi encontrado precedente para o uso de corrente elétrica contínua, aplicada de maneira direta e controlada, para a concentração eletrolítica da vinhaça. Tal processo tem como subprodutos gases hidrogênio e oxigênio, que podem servir como comodities e empregados como insumos em processos de combustão do tipo oxy-chama, ou na síntese de moléculas químicas sintéticas tornando o processo, como um todo, economicamente viável e associado a um conceito de economia circular. Também não foi encontrado no estado da técnica tal cadeia de valores, especialmente no presente contexto das usinas sucroalcooleiras.[016] As described above, there is no state-of-the-art document that deals with reducing the volume of agro-industrial effluents, particularly vinasse, by reducing the water fraction through electrolysis. Documents were found dealing with the concentration of vinasse by thermal means. Documents were also found that deal with the decomposition of organic matter contained in effluents through electrolysis. There are also documents that aim to reduce the chemical oxygen demand of vinasse, in one document, concomitantly producing hydrogen to be used as an alternative fuel. However, no precedent was found for the use of direct electric current, applied in a direct and controlled manner, for the electrolytic concentration of vinasse. Such a process has as by-products hydrogen and oxygen gases, which can serve as commodities and used as inputs in combustion processes of the oxy-flame type, or in the synthesis of synthetic chemical molecules, making the process, as a whole, economically viable and associated with a circular economy concept. Also, no such value chain was found in the state of the art, especially in the present context of sugar and alcohol plants.
[017] A presente invenção fornece um processo para a concentração de efluentes agroindustriais, em particular da vinhaça, através da redução da fração de água utilizando meios eletroquímicos, e a obtenção de uma cadeia de valores a partir do uso dos subprodutos deste processo de concentração. O processo em questão compreende uma maneira para se alcançar a concentração de efluentes agroindustriais, em particular da vinhaça, compreendendo as etapas de: (i) fornecer uma célula eletroquímica (por exemplo, um eletrolisador) compreendendo um cátodo e um ânodo; (ii) fornecer um fluxo de efluente em contato com o ânodo e com o cátodo; (iii) decompor eletroquimicamente a água contida no efluente; (iv) produzir eletroquimicamente gás hidrogênio no cátodo, a partir da água (ou de um de seus íons dissociados) contida no efluente; (v) produzir eletroquimicamente gás oxigênio no ânodo, a partir da água (ou de um de seus ions dissociados) contida no efluente.[017] The present invention provides a process for the concentration of agro-industrial effluents, in particular vinasse, by reducing the water fraction using electrochemical means, and obtaining a chain of values from the use of by-products of this concentration process . The process in question comprises a way to reach the concentration of agro-industrial effluents, in particular vinasse, comprising the steps of: (i) providing an electrochemical cell (for example, an electrolyser) comprising a cathode and an anode; (ii) provide an effluent flow in contact with the anode and the cathode; (iii) electrochemically decompose the water contained in the effluent; (iv) electrochemically produce hydrogen gas at the cathode, from water (or one of its dissociated ions) contained in the effluent; (v) electrochemically produce oxygen gas at the anode, from water (or one of its dissociated ions) contained in the effluent.
[018] A partir dos produtos e subprodutos do processo, a presente invenção também destaca uma cadeia de usos para a agregação de valor aos subprodutos da concentração eletrolítica de efluentes agroindustriais, em particular da vinhaça, compreendendo, porém não limitada às seguintes etapas: (i) uso do gás oxigênio, gerado no ânodo da célula eletroquimica a partir da água (ou de um de seus ions dissociados) contida no efluente, juntamente com um combustível renovável (e.g. bagaço de cana e biogás) ou não renovável (e.g. gás natural e gás de xisto) para a produção de energia elétrica em um sistema de combustão do tipo oxy-chama; (ii) destino do gás de exaustão do sistema de combustão oxy-chama, gerado pela combustão entre um combustível e o gás oxigênio proveniente da concentração eletrolítica do efluente, para captura e armazenamento de carbono (da sigla em inglês CCS) ou captura e utilização de carbono (da sigla em inglês CCU), após condensação da água presente no gás de exaustão; (iii) uso do fluxo de gás de exaustão do sistema de combustão oxy-chama, gerado pela combustão entre um combustível e o gás oxigênio proveniente da concentração eletrolítica do efluente, para a geração de energia elétrica através da extração da energia de condensação da água presente no gás de exaustão; (iv) uso do gás hidrogênio, gerado no cátodo da célula eletroquímica a partir da água (ou de um de seus ions dissociados) contida no efluente, juntamente com outros insumos (por exemplo gás nitrogênio proveniente do ar ou dióxido de carbono gerado pelo sistema de combustão oxy-chama) para a produção de insumos químicos em um reator químico ou eletroquímico, como por exemplo, a síntese de amônia através do processo Haber-Bosch ou a síntese de uréia através do processo Bosch-Meiser; (v) uso do efluente concentrado, através da eletrólise da água (ou de seus íons dissociados) contida no efluente, para a produção de biogás em um biodigestor.[018] From the products and by-products of the process, the present invention also highlights a chain of uses for adding value to the by-products of the electrolytic concentration of agro-industrial effluents, in particular vinasse, comprising, but not limited to, the following steps: ( i) use of oxygen gas, generated at the anode of the electrochemical cell from water (or one of its dissociated ions) contained in the effluent, together with a renewable fuel (e.g. sugarcane bagasse and biogas) or non-renewable (e.g. natural gas) and shale gas) for the production of electricity in an oxy-flame type combustion system; (ii) destination of the exhaust gas from the oxy-flame combustion system, generated by the combustion between a fuel and oxygen gas from the electrolytic concentration of the effluent, for carbon capture and storage (CCS) or capture and use of carbon (CCU), after condensation of the water present in the exhaust gas; (iii) use of the exhaust gas flow from the oxy-flame combustion system, generated by the combustion between a fuel and oxygen gas from the electrolytic concentration of the effluent, for the generation of electricity through the extraction of condensation energy from water present in the exhaust gas; (iv) use of hydrogen gas, generated at the cathode of the electrochemical cell from water (or one of its dissociated ions) contained in the effluent, together with other inputs (for example nitrogen gas from the air or carbon dioxide generated by the system oxy-flame combustion) for the production of chemical inputs in a chemical or electrochemical reactor, such as, for example, the synthesis of ammonia through the Haber-Bosch process or the synthesis of urea through the Bosch-Meiser process; (v) use of the concentrated effluent, through electrolysis of the water (or its dissociated ions) contained in the effluent, for the production of biogas in a biodigester.
[019] Na FIGURA 1 é mostrado o fluxograma representativo do processo de concentração eletrolítica de vinhaça, com destaque para cada uma das etapas do processo.[019] In FIGURE 1 is shown the representative flowchart of the process of electrolytic concentration of vinasse, highlighting each of the steps of the process.
[020] Na FIGURA 2 é mostrado um desenho esquemático do concentrador eletrolítico de vinhaça, utilizado na etapa de eletrólise. A vinhaça como entrada e a vinhaça concentrada como saída e produto do processo.[020] FIGURE 2 shows a schematic drawing of the vinasse electrolytic concentrator, used in the electrolysis step. Vinasse as input and concentrated vinasse as output and product of the process.
[021] Na FIGURA 3 é mostrado um tipo de diagrama esquemático da utilização de um efluente, em particular da vinhaça, e de várias fontes de energia para produzir insumos químicos, e a utilização destes em várias maneiras exemplares: concentração eletrolítica da vinhaça, fontes de energia elétrica, vinhaça concentrada e os subprodutos gases hidrogênio e oxigênio produzidos, respectivamente, como produto e subprodutos do processo e formas exemplares de usar tais produto e subprodutos, conferindo diversas vantagens ao processo.[021] FIGURE 3 shows a type of schematic diagram of the use of an effluent, in particular vinasse, and various energy sources to produce chemical inputs, and their use in various exemplary ways: electrolytic concentration of vinasse, sources of electric energy, concentrated vinasse and the by-products produced hydrogen and oxygen gases, respectively, as a product and by-products of the process and exemplary ways of using such product and by-products, conferring several advantages to the process.
[022] A presente invenção refere-se a um processo de tratar e concentrar um efluente agroindustrial, especificamente vinhaça, pela redução da sua concentração de água por meio da eletrólise, produzindo como produto vinhaça concentrada e como subprodutos gases hidrogênio e oxigênio. Refere-se como "vinhaça concentrada" a vinhaça contendo concentração de água pós-eletrólise menor que a de pré-eletrólise, observando-se variações nas propriedades físico-químicas da vinhaça pré-eletrólise.[022] The present invention relates to a process of treating and concentrating an agroindustrial effluent, specifically vinasse, by reducing its water concentration through electrolysis, producing concentrated vinasse as a product and hydrogen and oxygen gases as by-products. "Concentrated vinasse" refers to vinasse containing post-electrolysis water concentration lower than that of pre-electrolysis, observing variations in the physicochemical properties of pre-electrolysis vinasse.
[023] Conforme mostrado na FIGURA 1, a invenção compreende as seguintes etapas: (a) fornecer uma corrente de vinhaça, proveniente da fermentação da cana-de-açúcar, ao eletrolisador; (b) realizar pré-tratamento da corrente de vinhaça, se necessário; (c) realizar eletrólise da água presente na vinhaça; (d) recircular a vinhaça concentrada para nova eletrólise, se necessário; (e) remover a vinhaça concentrada do eletrolisador e coletar os subprodutos gasosos, isto é gases hidrogênio e oxigênio, passando por um processo de separação ou não. Caso haja pré-tratamento, este pode conter, mas não se limita as seguintes sub-etapas: sedimentação, flotação, filtração, correção de pH.[023] As shown in FIGURE 1, the invention comprises the following steps: (a) supply a stream of vinasse, from the fermentation of sugarcane, to the electrolyser; (b) carry out pre-treatment of the vinasse stream, if necessary; (c) carry out electrolysis of the water present in the stillage; (d) recirculate the concentrated stillage for new electrolysis, if necessary; (e) remove the concentrated vinasse from the electrolyser and collect the gaseous by-products, ie hydrogen and oxygen gases, whether or not they undergo a separation process. If there is pre-treatment, it may include, but is not limited to, the following sub-steps: sedimentation, flotation, filtration, pH correction.
[024] De acordo com a FIGURA 1 e com a FIGURA 2, no que se refere à aplicabilidade da invenção, as seguintes etapas podem ser definidas para um tratamento da vinhaça: (i) fornecer uma cuba eletrolítica (isto é, um recipiente capaz de conter um volume pré-determinado de vinhaça, de acordo com a FIGURA 2); (ii) fornecer dois eletrodos (isto é, um cátodo e um ânodo) conectados através de um circuito elétrico externo; (iii) fornecer um volume de vinhaça para a cuba, tendo sofrido pré-tratamento ou não, de modo que feche o circuito elétrico; (iv) fornecer uma corrente elétrica contínua para os eletrodos da célula; (v) concentrar a vinhaça, através da decomposição eletrolítica da água contida na mesma, tendo como produto vinhaça concentrada; (vi) produzir, como subproduto do processo de concentração eletrolítica de vinhaça, gás hidrogênio no cátodo e gás oxigênio no ânodo, a partir da água (ou de um de seus ions dissociados) contida na vinhaça; (vii) direcionar a vinhaça concentrada para fora da cuba eletrolítica; (viii) coletar os subprodutos gasosos, isto é gases hidrogênio e oxigênio, passando por um processo de separação ou não.[024] According to FIGURE 1 and FIGURE 2, with regard to the applicability of the invention, the following steps can be defined for a vinasse treatment: (i) provide an electrolytic vat (that is, a container capable of to contain a predetermined volume of vinasse, according to FIGURE 2); (ii) provide two electrodes (ie, a cathode and an anode) connected through an external electrical circuit; (iii) supply a volume of vinasse to the vat, whether pre-treated or not, so as to close the electrical circuit; (iv) supplying a continuous electric current to the cell electrodes; (v) concentrate the vinasse, through the electrolytic decomposition of the water contained therein, having concentrated vinasse as a product; (vi) produce, as a by-product of the vinasse electrolytic concentration process, hydrogen gas at the cathode and oxygen gas at the anode, from the water (or one of its dissociated ions) contained in the vinasse; (vii) direct the concentrated vinasse out of the electrolytic vat; (viii) collect the gaseous by-products, ie hydrogen and oxygen gases, whether or not they undergo a separation process.
[025] A etapa de recirculação pode incluir o uso de eletrolisadores em série ou a recirculação da vinhaça concentrada no eletrolisador. Os gases provenientes da eletrólise, especificamente gases hidrogênio e oxigênio, são coletados e podem ou não passar por um processo de separação. As propriedades físico-químicas da vinhaça não são exatamente definidas. Sendo produto de atividades biológicas, sua composição e temperatura na corrente de entrada no eletrolisador são variáveis.[025] The recirculation step may include the use of electrolysers in series or the recirculation of concentrated vinasse in the electrolyser. Gases from electrolysis, specifically hydrogen and oxygen gases, are collected and may or may not go through a separation process. The physicochemical properties of vinasse are not exactly defined. Being a product of biological activities, its composition and temperature in the electrolyser input stream are variable.
[026] Para a finalidade do processo de eletrólise no concentrador eletrolítico de vinhaça, o catalisador do cátodo e o catalisador do ânodo podem ser um catalisador metálico ou um catalisador não metálico ou uma combinação dos mesmos. O eletrólito é o efluente agroindustrial, estando em contato com os eletrodos anódico e catódico. O eletrolisador pode ou não conter uma membrana (isto é, um material de troca iônica semipermeável seletivo e isolante elétrico) ou uma malha (isto é, um isolante elétrico permeável e não condutor iônico) , nesse caso, o efluente, em particular a vinhaça, atua como eletrólito para o ânodo e o cátodo.[026] For the purpose of the electrolysis process in the electrolytic vinasse concentrator, the cathode catalyst and the anode catalyst may be a metallic catalyst or a non-metallic catalyst or a combination thereof. The electrolyte is the agro-industrial effluent, being in contact with the anodic and cathodic electrodes. The electrolyser may or may not contain a membrane (i.e., a selective semipermeable ion exchange material and electrical insulator) or a mesh (i.e., a permeable electrical insulator and non-ion conductor), in this case, the effluent, in particular the vinasse , acts as an electrolyte for the anode and cathode.
[027] Uma membrana ou uma malha pode ser empregada entre o ânodo e o cátodo para separar esses eletrodos, permitindo que os ions fluam, embora evitando um curto-circuito elétrico prejudicial. Deve ser notado que o ânodo e o cátodo estão espaçados, para evitar um curto-circuito elétrico quando uma membrana ou uma malha não estiver presente. A membrana e a malha são insolúveis no efluente e o fluxo de gás hidrogênio, subproduto gerado no processo de concentração eletrolítica do efluente, em particular da vinhaça, pode ou não passar por processos de separação ou purificação. Será notado que o fluxo de gás oxigênio, subproduto gerado no processo de concentração eletrolítica do efluente, em particular da vinhaça, pode ou não passar por processos de separação ou purificação.[027] A membrane or a mesh can be employed between the anode and cathode to separate these electrodes, allowing ions to flow, while avoiding a harmful electrical short circuit. It should be noted that the anode and cathode are spaced apart to prevent an electrical short circuit when a membrane or mesh is not present. The membrane and the mesh are insoluble in the effluent and the flow of hydrogen gas, a by-product generated in the effluent electrolytic concentration process, particularly vinasse, may or may not undergo separation or purification processes. It will be noted that the flow of oxygen gas, a by-product generated in the effluent electrolytic concentration process, particularly vinasse, may or may not undergo separation or purification processes.
[028] Quando o eletrolisador do concentrador eletrolítico de vinhaça compreender uma malha ou uma membrana, o cátodo pode estar em um compartimento catódico e o ânodo pode estar em um compartimento anódico, e a malha ou membrana separa o compartimento do cátodo do compartimento do ânodo. Quando presente, uma malha não age para transportar seletivamente ions, embora possa impedir o contato elétrico entre o cátodo e o ânodo, enquanto minimiza sua separação para ajudar a minimizar a resistência iônica do eletrolisador. Será notado que uma malha permite que o eletrólito (vinhaça) passe entre os compartimentos catódico e anódico. Sendo que a malha pode ser feita de um material orgânico, como por exemplo um material polimérico, ou inorgânico, como por exemplo um material cerâmico, ou uma combinação dos mesmos.[028] When the electrolyser of the vinasse electrolytic concentrator comprises a mesh or a membrane, the cathode may be in a cathode compartment and the anode may be in an anode compartment, and the mesh or membrane separates the cathode compartment from the anode compartment . When present, a mesh does not act to selectively transport ions, although it can prevent electrical contact between the cathode and anode while minimizing their separation to help minimize the ionic resistance of the electrolyser. It will be noted that a mesh allows the electrolyte (vinasse) to pass between the cathode and anode compartments. The mesh can be made of an organic material, such as a polymeric material, or an inorganic material, such as a ceramic material, or a combination thereof.
[029] Quando o eletrolisador do concentrador eletrolítico de vinhaça compreender uma membrana, o cátodo estará em um compartimento catódico e o ânodo estará em um compartimento anódico, com a membrana separando o compartimento catódico do anódico. Quando o eletrolisador compreender uma membrana, o eletrólito pode ser diferente para cada compartimento, com a membrana atuando para mediar a troca de ions relevantes entre os compartimentos. Será notado que uma membrana pode ser feita de um material orgânico ou inorgânico, ou uma combinação de ambos.[029] When the electrolyser of the vinasse electrolytic concentrator comprises a membrane, the cathode will be in a cathode compartment and the anode will be in an anode compartment, with the membrane separating the cathode compartment from the anode compartment. Where the electrolyser comprises a membrane, the electrolyte may be different for each compartment, with the membrane acting to mediate the exchange of relevant ions between the compartments. It will be appreciated that a membrane can be made of an organic or an inorganic material, or a combination of both.
[030] A exposição do efluente ao eletrolisador do concentrador eletrolítico de vinhaça reduz a concentração de água na corrente do efluente, dessa forma, a água contida no fluxo de efluente, em particular da vinhaça, pode ser diretamente convertida eletroquimicamente a gás oxigênio no ânodo e gás hidrogênio no cátodo. Por "conversão eletroquímica direta", entende-se que a água ê convertida em gás oxigênio na superfície anódica e em gás hidrogênio na superfície catódica, sem o envolvimento de outros reagentes químicos. O mesmo se aplica ao cátodo. As reações eletroquímicas aqui descritas não envolvem espécies radicais.[030] Exposure of the effluent to the electrolyser of the vinasse electrolytic concentrator reduces the concentration of water in the effluent stream, thus, the water contained in the effluent flow, in particular the vinasse, can be directly electrochemically converted to oxygen gas at the anode and hydrogen gas at the cathode. By "direct electrochemical conversion" is meant that water is converted into oxygen gas at the anodic surface and into hydrogen gas at the cathode surface, without the involvement of other chemical reagents. The same applies to the cathode. The electrochemical reactions described here do not involve radical species.
[031] Quando a água (solvente), ou seus íons dissociados, contida no fluxo de efluente, em particular da vinhaça, é convertida eletroquimicamente no ânodo e no cátodo, o ânodo e o cátodo compreendem adicionalmente um catalisador, que pode apresentar a mesma composição de material ou não. Portanto, o cátodo e o ânodo podem compreender um catalisador (doravante referido como catalisador catódico e catalisador anódico, respectivamente, como por exemplo Pt nanoparticulada dispersa sobre uma matriz condutora de alta área superficial), que é capaz de catalisar reações de redução e oxidação, respectivamente.[031] When water (solvent), or its dissociated ions, contained in the effluent flow, in particular vinasse, is electrochemically converted at the anode and cathode, the anode and cathode additionally comprise a catalyst, which may have the same material composition or not. Therefore, the cathode and anode may comprise a catalyst (hereinafter referred to as cathode catalyst and anode catalyst, respectively, such as nanoparticulate Pt dispersed on a high surface area conductive matrix), which is capable of catalyzing reduction and oxidation reactions, respectively.
[032] Ο catalisador catódico pode ser suportado ou não por materiais orgânicos ou inorgânicos ou uma combinação dos mesmos. O catalisador catódico pode ser um material orgânico ou inorgânico ou uma combinação dos mesmos. O catalisador anódico pode ser suportado ou não por materiais orgânicos ou inorgânicos, ou uma combinação dos mesmos. Quando uma membrana ou uma malha é utilizada no eletrolisador do concentrador eletrolítico de vinhaça, uma camada semipermeável pode ou não estar presente no ânodo e no eletrodo do cátodo, para impedir que ions diferentes dos ions dissociados de água atinjam o catalisador e a membrana.[032] Ο cathode catalyst may or may not be supported by organic or inorganic materials or a combination thereof. The cathode catalyst can be an organic or inorganic material or a combination thereof. The anodic catalyst may or may not be supported by organic or inorganic materials, or a combination thereof. When a membrane or a mesh is used in the electrolyser of the vinasse electrolytic concentrator, a semipermeable layer may or may not be present on the anode and cathode electrode, to prevent ions other than water dissociated ions from reaching the catalyst and the membrane.
[033] O processo da presente invenção pode ser realizado a baixas temperaturas, sem aquecimento externo a ser fornecido. No entanto, a corrente de efluentes pode compreender calor residual, ou seja, a corrente de efluentes pode ser fornecida ao eletrolisador do concentrador eletrolítico de vinhaça a temperaturas que excedem a temperatura ambiente ao redor do eletrolisador. Assim, o processo da presente invenção pode ser realizado a temperaturas de cerca de 15°C até perto do ponto de ebulição da água presente no efluente.[033] The process of the present invention can be carried out at low temperatures, without external heating being provided. However, the effluent stream may comprise residual heat, that is, the effluent stream may be supplied to the electrolyser of the vinasse electrolytic concentrator at temperatures that exceed the ambient temperature around the electrolyser. Thus, the process of the present invention can be carried out at temperatures from about 15°C to close to the boiling point of water present in the effluent.
[034] O ponto de ebulição da água no efluente e, portanto, o limite superior da temperatura na qual a eletrólise possa operar, é uma função da pressão ambiente e da composição do efluente. A água entra em ebulição a cerca de 373 K (~ 100°C ou ~ 212°F) ã pressão ambiente de 1 atm e se correlaciona positivamente com a pressão ambiente. A dependência da temperatura de ebulição com a composição das águas residuais é uma propriedade coligativa da solução e, em geral, se correlaciona positivamente com a concentração de solutos. Os efluentes podem ou não mostrar comportamento azeotrópico em seu diagrama de fases (temperatura versus composição).[034] The boiling point of water in the effluent, and therefore the upper limit of the temperature at which electrolysis can operate, is a function of the ambient pressure and the composition of the effluent. Water boils at about 373 K (~100°C or ~212°F) at ambient pressure of 1 atm and correlates positively with ambient pressure. The dependence of boiling temperature on wastewater composition is a colligative property of the solution and, in general, is positively correlated with solute concentration. Effluents may or may not show azeotropic behavior in their phase diagram (temperature versus composition).
[035] O pH do efluente pode variar. Por exemplo, ao considerar o efluente de processos baseados em fermentação, em particular a vinhaça, o pH do efluente que entra no eletrolisador pode estar na faixa de cerca de 3 a cerca de 6. 0 fluxo de efluente pode ou não ser usado no eletrolisador sem modificação. Quando modificado, um ou mais aditivos podem ser adicionados à corrente de efluente antes da entrada no eletrolisador do concentrador eletrolítico de vinhaça. Exemplos de tais aditivos incluem uma base, como por exemplo hidróxido de sódio, ou um ácido, como por exemplo ácido fosfórico, ou um sal, como por exemplo bicarbonato de sódio, ou uma combinação dos mesmos. Um ou mais aditivos podem promover a eficiência da concentração eletrolítica da vinhaça e a produtividade das plantações, quando o efluente concentrado, que deixa o concentrador eletrolítico de vinhaça, é aplicado como fertilizante.[035] The pH of the effluent may vary. For example, when considering effluent from fermentation-based processes, in particular vinasse, the pH of the effluent entering the electrolyser may be in the range of about 3 to about 6. The effluent stream may or may not be used in the electrolyser without modification. When modified, one or more additives can be added to the effluent stream before entering the electrolyser of the vinasse electrolytic concentrator. Examples of such additives include a base, such as sodium hydroxide, or an acid, such as phosphoric acid, or a salt, such as sodium bicarbonate, or a combination thereof. One or more additives can promote the efficiency of the electrolytic concentration of vinasse and the productivity of plantations, when the concentrated effluent, which leaves the electrolytic concentrator of vinasse, is applied as fertilizer.
[036] A vinhaça concentrada antes ou após processo de incineração promove reduções nas emissões de gases de efeito estufa e custos associados aos processos da agroindústria, por exemplo, minimizar a logística de transporte. A eficiência do processo de eletrólise, do concentrador eletrolítico de vinhaça, em geral, se correlaciona com a acidez ou alcalinidade das águas residuais. Por exemplo, no caso de catalisadores que são ótimos em meio ácido, isto é, pH < 7, quanto menor o pH maior será a concentração de ions H+ e, portanto, maior a taxa de reação e menor o sobrepotencial (maior eficiência energética do processo de eletrólise). Algo análogo ocorre para meios alcalinos, pH > 7, com a distinção de que a evolução de gás oxigênio será mais eficiente quanto maior o pH. De modo geral, quanto mais próximo de pH = 7, menor será a eficiência do processo, com a exceção de situações que se utilizem de catalisadores adequados para meios neutros.[036] The concentrated vinasse before or after the incineration process promotes reductions in greenhouse gas emissions and costs associated with agroindustry processes, for example, minimizing transport logistics. The efficiency of the electrolysis process, of the vinasse electrolytic concentrator, in general, correlates with the acidity or alkalinity of the wastewater. For example, in the case of catalysts that are optimal in an acid medium, that is, pH < 7, the lower the pH, the higher the concentration of H+ ions and, therefore, the higher the reaction rate and the lower the overpotential (greater energy efficiency of the electrolysis process). Something analogous occurs for alkaline media, pH > 7, with the distinction that the evolution of oxygen gas will be more efficient the higher the pH. In general, the closer to pH = 7, the lower the efficiency of the process, with the exception of situations that use catalysts suitable for neutral media.
[037] Será apreciado que, durante o processo, um único eletrolisador pode ser usado ou uma pluralidade de eletrolisadores, onde essa pluralidade de eletrolisadores pode ser conectada em série ou em paralelo um ao outro. Também será apreciado que o eletrólito pode ser recirculado para por exemplo, mas não limitado a, minimizar o uso de aditivos.[037] It will be appreciated that, during the process, a single electrolyser may be used or a plurality of electrolysers, where such a plurality of electrolysers may be connected in series or in parallel to each other. It will also be appreciated that the electrolyte can be recirculated to, for example, but not limited to, minimize the use of additives.
[038] Conforme mostrado na FIGURA 3, para a finalidade da cadeia de valores para os subprodutos do processo, os usos que a compõe baseiam-se na disponibilidade do produto do concentrador eletrolítico de vinhaça (vinhaça concentrada), dos subprodutos do processo de concentração eletrolítica de vinhaça (gases hidrogênio e oxigênio), de produtos secundários, oriundos de processos propostos para a cadeia de valores (e.g. energia elétrica), bem como dos subprodutos dos processos secundários (dióxido de carbono e água de condensação). Desta maneira, a cadeia de valores da presente invenção trata-se de exemplos de possíveis usos para esses subprodutos agregando diversas vantagens ao processo.[038] As shown in FIGURE 3, for the purpose of the value chain for the by-products of the process, the uses that compose it are based on the availability of the product of the electrolytic vinasse concentrator (concentrated vinasse), the by-products of the concentration process electrolysis of vinasse (hydrogen and oxygen gases), secondary products from processes proposed for the value chain (e.g. electrical energy), as well as by-products of secondary processes (carbon dioxide and condensation water). In this way, the value chain of the present invention deals with examples of possible uses for these by-products, adding several advantages to the process.
[039] Assim sendo, a presente invenção também se refere a maneiras de utilizar o produto e subprodutos, gerados pelo processo de concentração eletrolítica de efluente, em particular vinhaça, pela mesma indústria como insumos ou comodities. Como insumo, o produto vinhaça concentrada, pode ser empregada como fertilizante, antes ou após processo de incineração, com um reduzido custo com logística versus a vinhaça não concentrada, e com uma consequente redução nas emissões de gases de efeito estufa.[039] Therefore, the present invention also refers to ways of using the product and by-products, generated by the process of electrolytic concentration of effluent, in particular vinasse, by the same industry as inputs or commodities. As an input, the concentrated vinasse product can be used as a fertilizer, before or after the incineration process, with reduced logistics costs compared to non-concentrated vinasse, and with a consequent reduction in greenhouse gas emissions.
[040] Como uma comodities, o gás hidrogênio pode ser vendido diretamente como comodities (por exemplo, refino e craqueamento de petróleo, refino de metais e geração de calor) ou pode ser misturado com combustíveis produzidos ou não na mesma indústria, por exemplo, biogás e etanol, promovendo a flamabilidade do combustível e reduzindo a emissão de gases do efeito estufa gerados na combustão desses combustíveis, onde, no caso do biogás, essa mistura poderia também minimizar ou eliminar a necessidade de processos de separação relacionados ã remoção de moléculas diluidoras do combustível, como, por exemplo, dióxido de carbono.[040] As a commodity, hydrogen gas can be sold directly as commodities (for example, oil refining and cracking, metal refining and heat generation) or it can be mixed with fuels produced or not in the same industry, for example, biogas and ethanol, promoting the flammability of the fuel and reducing the emission of greenhouse gases generated in the combustion of these fuels, where, in the case of biogas, this mixture could also minimize or eliminate the need for separation processes related to the removal of diluting molecules fuel, such as carbon dioxide.
[041] O subproduto gás oxigênio também pode ser vendido diretamente como comodities ou pode ser empregado na combustão do tipo oxy-chama de combustíveis renováveis (por exemplo, resíduos sólidos, semissólidos, substâncias de mesma indústria) ou combustíveis não renováveis (por exemplo, gás de xisto, gás natural) para a produção de energia elétrica. O fluxo de exaustão da combustão de oxy-chama pode ser direcionado antes ou depois de processos de separação ou purificação para processos de captura e armazenamento de carbono ou captura e utilização de carbono.[041] The oxygen gas by-product can also be sold directly as commodities or can be used in the oxy-flame type combustion of renewable fuels (for example, solid waste, semi-solids, substances from the same industry) or non-renewable fuels (for example, shale gas, natural gas) for the production of electricity. The exhaust stream from oxy-flame combustion can be routed before or after separation or purification processes to carbon capture and storage or carbon capture and utilization processes.
[042] Quando a captura e armazenamento de carbono é considerada, o fluxo de exaustão da combustão de oxy-chama que passou ou não por processos de separação ou purificação pode ser direcionado para locais geológicos ou ser absorvido por absorventes adequados. Quando a captura e utilização de carbono é considerada, o fluxo de exaustão da combustão de oxy-chama que passou ou não por processos de separação ou purificação pode ser direcionado a sistemas para converter a molécula ou moléculas contidas nessa corrente em outras moléculas ou moléculas de interesse por transformações químicas, isso pode ou não utilizar gás hidrogênio ou o gás oxigênio.[042] When carbon capture and storage is considered, the exhaust flow from the oxy-flame combustion that has or has not gone through separation or purification processes can be directed to geological sites or be absorbed by suitable absorbents. When carbon capture and utilization is considered, the exhaust stream from the oxy-flame combustion that has or has not gone through separation or purification processes can be directed to systems to convert the molecule or molecules contained in that stream into other molecules or carbon molecules. interest in chemical transformations, this may or may not use hydrogen gas or oxygen gas.
[043] Exemplos de produtos de interesse incluem, embora não estejam limitados a fertilizantes (por exemplo, amônia e ureia), insumos químicos, "transportadores densos de energia" (por exemplo, amônia e metanol) , bem como combustíveis sintéticos e hidrocarbonetos em geral para a própria agroindústria ou outras indústrias. O gás hidrogênio ou o gás oxigênio, subprodutos do concentrador eletrolítico de vinhaça, pode encontrar aplicações adicionais as já citadas ou não neste documento, por exemplo, embora não limitado a, valorização de biomassa, processamento de alimentos, recuperação e refino de petróleo, produção e fabricação de metais, produção de metanol, eletrônicos, cosméticos, incineração de resíduos (vinhaça concentrada) , como combustível, para armazenamento de energia, em motores e turbinas para a própria agroindústria ou outras indústrias. Além de poderem ser empregados como reagentes químicos em conjunto com outras moléculas como, por exemplo, na produção de comodities e insumos químicos para a própria agroindústria ou outras indústrias.[043] Examples of products of interest include, but are not limited to, fertilizers (e.g., ammonia and urea), chemical inputs, "dense energy carriers" (e.g., ammonia and methanol), as well as synthetic fuels and hydrocarbons in for the agro-industry itself or other industries. Hydrogen gas or oxygen gas, by-products of the vinasse electrolytic concentrator, may find additional applications to those already mentioned or not in this document, for example, although not limited to, biomass recovery, food processing, oil recovery and refining, production and manufacture of metals, methanol production, electronics, cosmetics, waste incineration (concentrated vinasse), as fuel, for energy storage, in engines and turbines for the agro-industry itself or other industries. In addition to being able to be used as chemical reagents together with other molecules, for example, in the production of commodities and chemical inputs for the agroindustry itself or other industries.
[044] O efluente concentrado, produto do concentrador eletrolítico de vinhaça, pode ser utilizado para a produção de biogás em biodigestores. A vinhaça concentrada, produto do concentrador eletrolítico de vinhaça, pode ser utilizada como fertilizante diretamente ou após o processo de produção de biogás. Também será notado que a vinhaça concentrada, produto do concentrador eletrolítico de vinhaça, ou o resíduo do processo de produção de biogás, sofrendo atividade biológica ou não, pode ser incinerado com gás oxigênio, subproduto do concentrador eletrolítico de vinhaça, e depois ser utilizado como fertilizante.[044] The concentrated effluent, product of the electrolytic vinasse concentrator, can be used for the production of biogas in biodigesters. The concentrated vinasse, a product of the electrolytic vinasse concentrator, can be used as fertilizer directly or after the biogas production process. It will also be noted that the concentrated vinasse, a product of the electrolytic vinasse concentrator, or the residue from the biogas production process, whether undergoing biological activity or not, can be incinerated with oxygen gas, a by-product of the electrolytic vinasse concentrator, and then be used as fertilizer.
[045] Carmo, J. B. d., S. Filoso, L. C. Zotelli, E. R. de Sousa Neto, L. M. Pitombo, P. J. Duarte-Neto, V. P. Vargas, C. A. Andrade, G. J. C. Gava, R. Rossetto, H. Cantarella, A. E. Neto and L. A. Martinelli (2013) . "Infield greenhouse gas emissions from sugarcane soils in Brazil: effects from synthetic and organic fertilizer application and crop trash accumulation." GCB Bioenergy 5(3): 267-280.[045] Carmo, J. B. d., S. Filoso, L. C. Zotelli, E. R. de Sousa Neto, L. M. Pitombo, P. J. Duarte-Neto, V. P. Vargas, C. A. Andrade, G. J. C. Gava, R. Rossetto, H. Cantarella, A. E. Neto and L. A. Martinelli (2013). "Infield greenhouse gas emissions from sugarcane soils in Brazil: effects from synthetic and organic fertilizer application and crop trash accumulation." GCB Bioenergy 5(3): 267-280.
[046] Christofoletti, C. A., J. P. Escher, J. E. Correia, J. E. U. Marinho and C. S. Fontanetti (2013). "Sugarcane vinasse: Environmental implications of its use." Waste Management 33(12): 2752-2761.[046] Christofoletti, C. A., J. P. Escher, J. E. Correia, J. E. U. Marinho and C. S. Fontanetti (2013). "Sugarcane vinasse: Environmental implications of its use." Waste Management 33(12): 2752-2761.
[047] Cortes-Rodriguez, E. E., N. A. Fukushima, R. Palacios-Bereche, A. V. Ensinas and S. A. Nebra (2018). "Vinasse concentration and juice evaporation system integrated to the conventional ethanol production process from sugarcane - Heat integration and impacts in cogeneration system." Renewable Energy 115: 474-488.[047] Cortes-Rodriguez, E. E., N. A. Fukushima, R. Palacios-Bereche, A. V. Ensinas and S. A. Nebra (2018). "Vinasse concentration and juice evaporation system integrated to the conventional ethanol production process from sugarcane - Heat integration and impacts in cogeneration system." Renewable Energy 115: 474-488.
[048] da Silva Neto, J. V., W. L. R. Gallo and E. A. A. Nour (2020). "Production and use of biogas from vinasse: Implications for the energy balance and GHG emissions of sugar cane ethanol in the brazilian context." Environmental Progress & Sustainable Energy 39(1): 13226.[048] da Silva Neto, J. V., W. L. R. Gallo and E. A. A. Nour (2020). "Production and use of biogas from vinasse: Implications for the energy balance and GHG emissions of sugar cane ethanol in the Brazilian context." Environmental Progress & Sustainable Energy 39(1): 13226.
[049] de Oliveira, B. G., J. L. N. Carvalho, C. E. P. Cerri, C. C. Cerri and B. J. Feigl (2013). "Soil greenhouse gas fluxes from vinasse application in Brazilian sugarcane areas." Geoderma 200-201: 77-84.[049] de Oliveira, B. G., J. L. N. Carvalho, C. E. P. Cerri, C. C. Cerri and B. J. Feigl (2013). "Soil greenhouse gas fluxes from vinasse application in Brazilian sugarcane areas." Geoderma 200-201: 77-84.
[050] Nakashima, R. N. and S. de Oliveira Junior (2020) . "Comparative exergy assessment of vinasse disposal alternatives: Concentration, anaerobic digestion and fertirrigation." Renewable Energy 147: 1969-1978.[050] Nakashima, R. N. and S. de Oliveira Junior (2020) . "Comparative exergy assessment of vinasse disposal alternatives: Concentration, anaerobic digestion and fertirrigation." Renewable Energy 147: 1969-1978.
[051] Rabelo, S. C., A. C. da Costa and C. E. Vaz Rossel (2015) . Chapter 17 - Industrial Waste Recovery. Sugarcane. F. Santos, A. Borém and C. Caldas. San Diego, Academic Press: 365-381 .[051] Rabelo, S. C., A. C. da Costa and C. E. Vaz Rossel (2015). Chapter 17 - Industrial Waste Recovery. Sugarcane. F. Santos, A. Borém and C. Caldas. San Diego, Academic Press: 365-381.
Claims (18)
- (a) fornecer uma corrente de efluente agroindustrial ao eletrolisador;
- (b) opcionalmente realizar pré-tratamento da corrente de efluente agroindustrial;
- (c) realizar eletrólise da água presente na vinhaça, em que compreende (i) fornecer uma célula eletroquímica compreendendo um cátodo e um ânodo, (ii) fornecer um fluxo de efluente em contato com o ânodo e com o cátodo conectados através de um circuito elétrico externo, (iii) decompor eletroquimicamente a água contida no efluente por meio de uma corrente elétrica contínua, (iv) produzir eletroquimicamente gás hidrogênio no cátodo, a partir da água, ou de um de seus íons dissociados, contida no efluente, (v) produzir eletroquimicamente gás oxigênio no ânodo, a partir da água, ou de um de seus íons dissociados, contida no efluente;
- (d) opcionalmente recircular o efluente agroindustrial concentrado para nova eletrólise; e
- (e) remover o efluente agroindustrial concentrado do eletrolisador e coletar os subprodutos gases hidrogênio e oxigênio, passando por um processo de separação ou não.
- (a) supplying an agro-industrial effluent stream to the electrolyser;
- (b) optionally perform pre-treatment of the agro-industrial effluent stream;
- (c) performing electrolysis of the water present in the vinasse, which comprises (i) providing an electrochemical cell comprising a cathode and an anode, (ii) providing an effluent flow in contact with the anode and cathode connected through a circuit external electrical, (iii) electrochemically decompose the water contained in the effluent by means of a continuous electric current, (iv) electrochemically produce hydrogen gas at the cathode, from the water, or one of its dissociated ions, contained in the effluent, (v ) Electrochemically produce oxygen gas at the anode, from water, or one of its dissociated ions, contained in the effluent;
- (d) optionally recirculating the concentrated agro-industrial effluent for new electrolysis; It is
- (e) remove the concentrated agro-industrial effluent from the electrolyser and collect the hydrogen and oxygen gas by-products, whether or not they undergo a separation process.
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