ES2275490T3 - Procedimiento para la produccion de hidrogeno a partir de material organico descompuesto anaerobicamente. - Google Patents
Procedimiento para la produccion de hidrogeno a partir de material organico descompuesto anaerobicamente. Download PDFInfo
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Abstract
Un procedimiento para tratar material orgánico descompuesto anaeróbicamente, que comprende generar una corriente eléctrica dentro de dicho material para potenciar la actividad de microorganismos productores de hidrógeno y reducir la actividad de microorganismos productores de metano, en el que se emplea un potencial eléctrico de 3-6 V.
Description
Procedimiento para la producción de hidrógeno a
partir de material orgánico descompuesto anaeróbicamente.
Esta invención se refiere a un procedimiento
para la producción de hidrógeno a partir de materiales orgánicos
descompuestos anaeróbicamente, incluyendo materiales orgánicos
descompuestos anaeróbicamente tales como se encuentran en
materiales de vertido y lodo de agua residual.
Está reconocido que son necesarias fuentes
adicionales de energía para un crecimiento industrial sostenido.
Existe un peligro siempre presente de depender demasiado de
combustibles fósiles. Los combustibles fósiles (hidrocarburos)
representan un suministro limitado de energía almacenada que se
libera típicamente durante un procedimiento de combustión. Al
quemar hidrocarburos, la humanidad ha vertido miles de millones de
toneladas de contaminantes tóxicos a la atmósfera. Por lo tanto,
tiene sentido tanto desde el punto de vista ambiental como
económico desarrollar fuentes alternativas de combustibles
renovables.
El hidrógeno es un combustible que no produce
contaminantes, siendo el agua su único producto de combustión. El
hidrógeno tiene muchos usos industriales, por ejemplo, en la
producción de fertilizantes, tintes, fármacos, plásticos, aceites y
grasas hidrogenados y metanol, y se utiliza en muchas industrias. Se
utiliza también como combustible de cohete y puede utilizarse según
la presente invención como un combustible de emisiones negativas
que permite a motores ordinarios limpiar el aire.
Los procedimientos establecidos para producir
comercialmente cantidades significativas de hidrógeno son: (1)
reformado de vapor de hidrocarburos, (2) oxidación parcial de
carbón, (3) electrolisis del agua, y (4) uso directo de radiación
solar (procedimiento fotovoltaico).
El reformado de vapor de hidrocarburos y
oxidación parcial de carbón son desventajosos porque se consumen
combustibles de hidrocarburo fósil. La producción de hidrógeno
mediante electrolisis del agua, un procedimiento relativamente
simple y no contaminante, es costoso y por lo tanto económicamente
desventajoso para la mayoría de las aplicaciones industriales,
debido a que la cantidad de energía necesaria para la electrolisis
del agua supera la energía obtenida por la combustión del hidrógeno
resultante. Los procedimientos fotovoltaicos de producción de
hidrógeno están restringidos por el acceso limitado a la radiación
solar experimentado por gran parte de la población mundial.
Se discute un procedimiento de producción de
hidrógeno a partir de azúcares tales como glucosa o maltosa en
"Energy and the Environment, Proceedings of the 1st World
Renewable Energy Congress", Reading, R.U., 23-28
de septiembre de 1990): S. Roychowdhury y D. Cox
("Roychowdhury"). Este procedimiento implica la preparación de
"inóculos de vertido" a partir de materiales obtenidos a
diversas profundidades en un vertido mediante secado, molido (para
obtener "polvo de vertido") e incubación in situ. Se
observó que el medio de cultivo incubado resultante producía
principalmente dióxido de carbono y metano, y poco más, indicando la
presencia de flora altamente metanogénica en los inóculos. Sin
embargo, se encontró que la inoculación de diversas soluciones de
azúcar con el sobrenadante de dichos medios de cultivo, o en ciertos
casos con polvo de vertido, conduce a la producción de hidrógeno y
dióxido de carbono, sin producirse metano ni oxígeno. Esto indica la
presencia de bacterias productoras de hidrógeno en los inóculos de
vertido y/o la influencia del hidrógeno liberado sobre los
materiales e inóculos de vertido. Se observó que la producción de
hidrógeno se reducía al aumentar la acidez.
La presente invención está basada en parte en el
descubrimiento de que los materiales orgánicos descompuestos
anaeróbicamente pueden tratarse mediante el paso a través de ellos
de una corriente eléctrica relativamente pequeña y/o intermitente
para potenciar la producción de hidrógeno a partir de ellos y para
suprimir la formación de metano. Dicho tratamiento permite la
producción de hidrógeno a partir de materiales de desecho típicos
tales como se encuentran en vertederos municipales y plantas de
tratamiento de agua residual en cantidades tales que la energía
potencial químicamente almacenada del hidrógeno producida supera la
energía necesaria para generar la corriente eléctrica, reduciendo
simultáneamente la masa del material de desecho y/o reduciendo el
tiempo necesario para tratar o eliminar dicho material. La invención
proporciona así un procedimiento de producción de hidrógeno que no
requiere el uso de combustibles fósiles, que no depende de la
aparición algo aleatoria de la luz del sol, y que, por ejemplo,
puede utilizarse para proporcionar a comunidades que tienen una
distribución de electricidad y otras infraestructuras de energía
relativamente no desarrolladas un sistema que proporciona una
energía útil a partir de desechos recogidos.
Es de particular interés tratar materiales de
vertido porque estos materiales presentan en ayuntamientos de todo
el mundo problemas ubicuos como sitios de cría de vectores tales
como roedores, cucarachas y gérmenes patógenos transmisibles y como
fuente de gases de invernadero y contaminación de aguas subterráneas
debido a la producción de lixiviados nocivos. El tratamiento según
la invención permite el secuestro de carbono de los vertidos,
incluyendo aquellos que son depositarios de lodos de agua
residual.
Por tanto, según un aspecto de la invención, se
proporciona un procedimiento para tratar material orgánico
descompuesto anaeróbicamente que comprende generar una corriente
eléctrica dentro de dicho material para potenciar la actividad de
microorganismos productores de hidrógeno y reducir la actividad de
microorganismos productores de metano, en el que se emplea un
potencial eléctrico de 3-6 V.
\newpage
Los materiales orgánicos descompuestos
anaeróbicamente que pueden tratarse según este aspecto de la
invención incluyen materiales celulósicos compostados
anaeróbicamente y lodo de agua residual digerido anaeróbicamente.
Los materiales celulósicos compostados anaeróbicamente se encuentran
típicamente en materiales de vertido, que generalmente consisten en
aproximadamente un 70% de materiales celulósicos y tienen un
contenido de humedad de 36% a 46%. El lodo de agua residual
digerido anaeróbicamente comprende típicamente lodo encontrado en
plantas municipales de tratamiento de agua residual; es
principalmente líquido e incluye un 2-3% de sólidos.
Tanto los materiales de vertido como el lodo de agua residual
contienen naturalmente especies bacterianas productoras de metano y
especies bacterianas productoras de hidrógeno.
Otros materiales orgánicos que pueden tratarse
incluyen estiércol de granja, residuos agrícolas y basura. Dichos
materiales orgánicos pueden inocularse ventajosamente, por ejemplo,
con muestras de material de vertido o lodo de agua residual antes
del tratamiento eléctrico. Los inóculos así utilizados pueden
pretratarse si se desea mediante la generación de una corriente
eléctrica en los mismos o mediante digestión en presencia de una
concentración elevada de hidrógeno.
La descomposición anaeróbica designa un
procedimiento en el que los compuestos orgánicos, por ejemplo
carbohidratos de fórmula general C_{n}H_{2n}O_{n} y otros
nutrientes, se descomponen en ausencia de un entorno donante de
oxígeno. Los ácidos carboxílicos volátiles tales como ácido acético
se forman típicamente en cantidades relativamente altas mediante
dicha descomposición anaeróbica; el bicarbonato de amonio es otro
producto de degradación típico. Aunque la descomposición anaeróbica
puede estar precedida en algunos casos por descomposición aeróbica,
éste no es un requisito previo para que el material orgánico
descompuesto anaeróbicamente sea tratado según este aspecto de la
invención. Se apreciará que el procedimiento puede aplicarse a
materiales orgánicos en diversas etapas de descomposición
anaeróbica, y que la generación de una corriente eléctrica puede
iniciarse antes o al inicio de dicha descomposición.
Sin desear quedar ligado a teoría alguna, se
cree que la corriente eléctrica estimula la hidrólisis de los
ácidos carboxílicos volátiles, que son conocidos por actuar como
electrolitos, y posiblemente también de bicarbonato de amonio,
produciendo así hidrógeno. Puesto que no se observa producción de
oxígeno, parecería que la electrolisis del agua no está implicada
en dicha producción de hidrógeno. Se cree también que el hidrógeno
así producido inhibe la subdivisión, crecimiento y actividad de
especies metanogénicas, mientras que se potencia en gran medida la
producción de enzimas liberadoras de hidrógeno.
Este aspecto de la presente invención puede
practicarse, por ejemplo, en cualquier vertido municipal grande o
instalación de tratamiento de agua residual, por ejemplo,
procesándose continuamente en tanques de digestión de agua
residual. Puede practicarse también a escala menor siempre que se
encuentren o puedan generarse materiales orgánicos descompuestos
anaeróbicamente tales como materiales celulósicos compostados
anaeróbicamente o agua residual digerida anaeróbicamente. Por
tanto, por ejemplo, los materiales celulósicos y/o lodo de agua
residual pueden hacerse descomponer "en el sitio", por
ejemplo, en un cubo o cámara localizada, en lugar de en un vertido
centralizado o instalación de tratamiento de agua residual. Dichos
materiales orgánicos descompuestos anaeróbicamente pueden llevarse
después opcionalmente a una estación de transferencia equipada para
producir hidrógeno mediante el tratamiento según la invención, o
como alternativa pueden hacerse producir hidrógeno "en el
sitio" mediante tratamiento en o cerca del cubo o cámara en el
sitio. En dichas realizaciones, el hidrógeno puede almacenarse o
utilizarse en el sitio para producir formas útiles de energía,
incluyendo la cantidad relativamente menor de energía necesaria
para generar la corriente eléctrica.
La corriente eléctrica puede generarse, por
ejemplo, mediante la aplicación de un potencial eléctrico a través
de electrodos en contacto con el material orgánico, por ejemplo, uno
o más conjuntos de electrodos dispuestos dentro del material.
Dichos electrodos pueden estar hechos, por ejemplo, de plomo, cobre,
acero, latón o carbono, más preferiblemente de barras de hierro
colado, y lo más preferiblemente de grafito impregnado de metal u
otras formas de grafito que tienen conductividad eléctrica
potenciada. Los conjuntos de electrodos pueden ser de cualquier
forma adecuada, por ejemplo, placas, barras, rejillas, etc.
El tratamiento según esta realización de la
invención se efectúa convenientemente mediante la aplicación de un
potencial eléctrico de entre 3 y 6 V, preferiblemente entre 3,0 y
4,5 V.
Es deseable generar una corriente eléctrica con
baja polarización y pérdidas óhmicas. La disposición y separación
del electrodo pueden ajustarse para conseguir estas condiciones, y
puede ser también ventajoso adoptar un programa de control de
voltaje incluyendo la inversión ocasional de la polaridad. El
voltaje, espaciado medio de los electrodos y número de electrodos
pueden variarse dependiendo del tamaño y la composición del material
orgánico que se va a tratar.
En una realización preferida de este aspecto de
la invención, se dispone cada electrodo individual en el material
de vertido y se rodea por una "caja" inerte que asegura
eficazmente que el componente de humedad del material de vertido, y
no un componente que podría interferir con la actividad eléctrica,
está inmediatamente adyacente a cada electrodo. Se apreciará que la
disposición óptima de cada electrodo dentro del material de vertido
puede requerir cierto ensayo y error.
\newpage
Ventajosamente, la corriente eléctrica puede
generarse intermitentemente, preferiblemente a intervalos
seleccionados para minimizar el consumo de energía eléctrica
maximizando la producción de hidrógeno, por ejemplo, a intervalos
determinados con referencia a los niveles de hidrógeno y/o metano
detectados en el gas producido a partir del material orgánico. Por
tanto, por ejemplo, puede ajustarse adaptativamente un ciclo de
trabajo de aplicación de potencial eléctrico con referencia a la
información de realimentación de un detector de gas y medio
controlador asociado. En una de dichas realizaciones, se aplica un
potencial eléctrico cuando se detectan cantidades traza de metano y
se mantiene hasta que la producción de metano se ha suprimido
sustancialmente del todo; se registra el periodo de tiempo
implicado. Después de la terminación de la aplicación del potencial
eléctrico, el controlador registra después el periodo de tiempo que
pasa hasta que se detectan de nuevo trazas de metano, y después de
ello, fija un ciclo de trabajo en el que se aplica potencial
eléctrico durante un intervalo de tiempo ligeramente mayor que el
tiempo registrado para suprimir la producción de metano y se
desconecta durante un intervalo de tiempo ligeramente menor que el
tiempo registrado para la redetección de trazas de metano. El
voltaje del potencial eléctrico aplicado puede reducirse de forma
controlable, si se desea, como parte del control ajustado
adaptativamente para minimizar el gasto de energía.
En un ejemplo típico de un procedimiento de
tratamiento según este aspecto de la invención, la producción de
hidrógeno empieza tras la generación de una corriente eléctrica
dentro del material orgánico descompuesto anaeróbicamente y aumenta
de un 70% a un 75% en volumen de los gases totales producidos. El
nivel de metano producido se reduce desde un máximo de
aproximadamente 70% en volumen de los gases totales producidos,
cuando se aplica la corriente eléctrica por primera vez, hasta
niveles traza reducidos en gran medida. La producción de dióxido de
carbono y nitrógeno permanece relativamente constante y no varía
significativamente con la producción de metano o hidrógeno.
Se producen cantidades sustanciales de dióxido
de carbono junto con el hidrógeno a partir de material orgánico
descompuesto anaeróbicamente tratado según la invención. La
separación económica del hidrógeno a partir de este dióxido de
carbono es deseable para aumentar el valor del hidrógeno, por
ejemplo, aumentando su densidad de almacenamiento y facilitando su
uso en aplicaciones de celda de combustible. El dióxido de carbono
separado puede utilizarse, por ejemplo, en invernaderos o cultivos
hidropónicos.
El dióxido de carbono producido a partir del
material orgánico se separa del hidrógeno producido por el material
orgánico mediante la absorción preferente de dicho dióxido de
carbono en un fluido a presión, con lo que dicho hidrógeno escapa
hacia medios de recogida.
El fluido a presión es ventajosamente agua. La
solubilidad del dióxido de carbono en agua es de aproximadamente
21,6 volúmenes de gas por volumen de agua a 2,53 MPa de presión y
12ºC. Aumentar la presión o reducir la temperatura aumenta la
cantidad de dióxido de carbono disuelta por volumen de agua,
mientras que reducir la presión o aumentar la temperatura libera el
dióxido de carbono disuelto. En la mayoría de las zonas de la
Tierra, el agua subterránea se mantiene a una temperatura que es
igual a la temperatura del aire anual media más 0,55ºC por cada
24,4 m de cubierta de estratos de suelo en la zona saturada.
Los gases mezclados, consistentes por ejemplo en
hidrógeno, dióxido de carbono y cantidades menores de nitrógeno y
otros gases, pueden impulsarse, por ejemplo, a la parte inferior de
una columna de agua que tiene una altura de aproximadamente 300 m,
mantenida a una temperatura en el intervalo de
4-16ºC. Dicha columna puede comprender, por
ejemplo, un pozo que se extiende 300 m por debajo de la zona
saturada del agua subterránea local. Esto proporciona el beneficio
de la disipación de calor extremadamente grande del subsuelo,
incluyendo el agua subterránea en la zona saturada, donde la
temperatura es generalmente constante dentro del intervalo de
temperatura deseado para la mayoría de las zonas climáticas a lo
largo del año. Las columnas de agua que se elevan a lo largo de
laderas de montañas son también factibles, pero pueden sufrir
condiciones de congelación en el invierno y calentamiento
desfavorable en la estación veraniega.
El dióxido de carbono se disuelve fácilmente en
las condiciones de presión y temperatura mantenidas, mientras que
el hidrógeno gaseoso puede recogerse y suministrarse a la superficie
para diversos usos.
Como se describe con más detalle en adelante, el
fluido a presión que contiene dióxido de carbono puede extraerse y,
opcionalmente después de la adición de calor, permitirse expandir
para permitir la liberación de dióxido de carbono y para transferir
energía a un motor. El fluido expandido puede enfriarse
posteriormente, ponerse a presión y reciclarse para una mayor
absorción de dióxido de carbono.
En los dibujos adjuntos, que ilustran la
invención sin limitar en modo alguno la misma:
la Fig. 1 es un diagrama de flujo que muestra
tanto la producción de hidrógeno y la supresión de la metanogénesis
a partir de materiales orgánicos descompuestos anaeróbicamente en
presencia de un electropotencial aplicado, como la metanogénesis de
materiales orgánicos descompuestos anaeróbicamente en ausencia de un
electropotencial aplicado;
la Fig. 2 es un diagrama de flujo que muestra un
procedimiento para la producción de hidrógeno que incluye
descomposición anaeróbica en el sitio de material orgánico;
la Fig. 3 es una representación en gráfica de
barras de la información de la Tabla 1 del ejemplo 1;
la Fig. 4 es una representación en gráfica de
barras de la información de la Tabla 2 del ejemplo 2;
la Fig. 5 es una representación en gráfica de
barras de la información de la Tabla 3 del ejemplo 3;
la Fig. 6 es una representación en gráfica de
barras de la información de la Tabla 5 del ejemplo 5;
la Fig. 7 es una representación en gráfica de
barras de la información de la Tabla 6 del ejemplo 5;
la Fig. 8 es una representación en gráfica de
barras de la información de la Tabla 8 del ejemplo 6;
la Fig. 9 es una representación en gráfica de
barras de la información de la Tabla 9 del ejemplo 7;
la Fig. 10 es una representación en gráfica de
barras de la información de la Tabla 10 del ejemplo 8;
la Fig. 11 es una ilustración esquemática de un
sistema que controla adaptativamente la aplicación de voltaje
aplicado intermitentemente para maximizar la producción de hidrógeno
minimizando la producción de metano;
la Fig. 12 es un sistema ilustrado
esquemáticamente que muestra la generación de voltaje para la
producción de hidrógeno según la invención;
la Fig. 13 es una ilustración esquemática de
otro sistema; y
la Fig. 14 es una ilustración esquemática de aún
otro sistema.
Refiriéndose con más detalle a los dibujos, la
Fig. 11 muestra una realización 200 en la que electrodos adecuados
tales como los electrodos concéntricos 202 y 204 reciben voltaje
aplicado intermitentemente para influir en el desecho orgánico
solvatado entre los electrodos para producir hidrógeno. En la
operación, se aplica voltaje mediante la fuente de voltaje 216
según un ciclo de trabajo controlado por el relé 212, que se ajusta
constantemente por el controlador 210 para facilitar la generación
de hidrógeno y evitar la producción sustancial de metano.
Se proporciona información de realimentación por
el detector de gas 206/208 al controlador 210. Si se detectan
cantidades traza de metano, se aplica un voltaje entre los
electrodos 202 y 204 durante un periodo de tiempo registrado hasta
que se reduce la producción de metano. Se anota el tiempo hasta que
se detectan de nuevo trazas de metano por el controlador 210, y se
adopta un ciclo de trabajo de aplicación de voltaje a través de los
electrodos 202 y 204 durante un intervalo de tiempo ligeramente
mayor que el tiempo anotado para reducir la producción de metano,
seguido de una operación de electrodo neutra durante un periodo de
tiempo ligeramente menor que el tiempo anotado anteriormente para
que se detecten trazas de metano.
Este ciclo de trabajo se cambia adaptativamente
para acortar el tiempo de aplicación de voltaje y para extender el
tiempo entre la aplicación de voltaje con fines de minimizar la
producción de metano maximizando la producción de hidrógeno con
menos aplicación de voltaje a los electrodos 202 y 204. Se reduce el
nivel de voltaje para proporcionar otra variable, y se ajusta
adaptativamente con respecto al tiempo de aplicación de voltaje para
minimizar el gasto de energía. Este algoritmo de control adaptativo
se ajusta rápidamente para cambios en la composición de desechos
orgánicos, contenido de humedad, temperatura y otras variables.
La Fig. 12 muestra una realización en la que el
gas combustible producido por el procedimiento de la invención en
presencia de los electrodos 230 y 232 se pone en parte disponible
para su conversión en electricidad mediante una celda de
combustible o conjunto generador de energía 240. La aplicación
controlada adaptativamente de voltaje a los electrodos 230 y 232 se
proporciona por el controlador 236 y el relé 234 como se muestra con
fines de minimizar el consumo de energía en términos del hidrógeno
producido. Además, el controlador adaptativo 236 proporciona un
algoritmo de control para minimizar la producción de metano
facilitando la producción máxima de hidrógeno. La válvula operada
por solenoide 238 controla el suministro de gas combustible por la
conducción 242 a la unidad de conversión de energía 240 según sea
necesario para satisfacer un ciclo de trabajo ajustado
adaptativamente y para satisfacer otras demandas de electricidad
suministrada por los cables aislados 244. La energía adecuada para
bombear agua, proporcionar un ciclo de bombeo de calor, o producción
de electricidad en 240 puede ser mediante un motor y generador
térmico, una celda de combustible, un generador termoeléctrico, u
otros dispositivos que convierten la energía potencial del
combustible en electricidad.
En muchas aplicaciones, se prefiere utilizar un
motor y generador de émbolo en el que el motor es alimentado con
una combinación SmartPlug de inyector de combustible y sistema de
ignición, puesto que esto facilita una operación extremadamente
robusta. La operación SmartPlug se da a conocer en las patentes de
EE.UU. nº 5.394.852 y 5.343.699, y posibilita utilizar una mezcla
bruta de hidróxido y dióxido de carbono como combustible de muy
baja pureza sin acondicionamiento adicional, produciendo una
eficacia térmica muy alta y una energía nominal íntegra en
comparación con la operación del motor con combustible de gasolina o
diésel. Ésta es una ventaja particularmente importante para la
operación remota y para llevar combustible y energía a economías
deprimidas en las que es prohibitivo importar combustibles basados
en fósiles.
La producción preferente de hidrógeno
proporciona ventajas termodinámicas basadas en una combustión de
combustible más rápida, límites de relación de combustión
aire/combustible más amplios, y con la operación SmartPlug, el
motor opera esencialmente sin pérdidas por ahogo. Estas ventajas
termodinámicas proporcionan una presión media efectiva al freno
(BMEP) mucho más alta para el mismo calor liberado en comparación
con combustible de gasolina o diésel.
Como se muestra en la Tabla A, es realmente
posible limpiar el aire ambiental con un motor generador que
funciona con combustible caracterizado por hidrógeno producido a
partir de desechos orgánicos de vertido o agua residual, en
contraposición con la operación que utiliza gasolina como
combustible.
\hskip0.2cmClave: HC= hidrocarburos; CO= monóxido de carbono; NO= óxido nítrico.
La Fig. 13 muestra un sistema para separar
dióxido de carbono de hidrógeno mediante absorción diferencial de
dióxido de carbono dentro de un medio adecuado tal como agua o una
amina impedida. En operación, los gases mezclados consistentes en
hidrógeno, dióxido de carbono y cantidades menores de nitrógeno y
otros gases, se impulsan a la parte inferior de una columna de agua
302 de aproximadamente 300 m o más de altura.
Se suministran los gases mezclados a la parte
inferior del tubo 304 mediante una bomba adecuada (no mostrada), y
se entra en una zona de lavado adecuada tal como la aleta helicoidal
306, que está unida al tubo 304 con una elevación superior en el
punto de unión que cualquier otro punto sobre el elemento de
rotación que describe la superficie helicoidal mostrada. Por tanto,
los gases tienden a flotar hacia el tubo 304 a medida que se
lavan por el fluido absorbente. El dióxido de carbono se disuelve
fácilmente en las condiciones de presión y temperatura mantenidas.
El hidrógeno sale por la parte superior de la hélice al tubo 308 y
se suministra a la superficie para diversos usos.
Se conduce el agua rica en dióxido de carbono a
la superficie mediante el tubo coaxial 310 mostrado. A medida que
se reduce la presión en la cabeza, se desarrollan burbujas de
dióxido de carbono que escapan hacia arriba y crean una mezcla de
densidad menor que se eleva flotando a la sección separadora de gas
312, donde el agua más densa que ha perdido la capacidad de retener
dióxido de carbono se devuelve al espacio anular 302 y cae a la
parte inferior para reemplazar las existencias que viajan hacia
arriba de agua que se elevan dentro del tubo 310. Se recoge el
dióxido de carbono en la parte superior de 310 por el tubo 314.
La Fig. 14 muestra una realización en la que la
energía utilizada para poner a presión el hidrógeno y el dióxido de
carbono se recupera regenerativamente mediante un motor de
expansión. La realización 400 muestra un sistema de conversión de
energía extremadamente robusto y simple que combina diversos
recursos renovables tales como agua residual, basura y desechos de
granja con energía solar para suministrar electricidad, hidrógeno y
dióxido de carbono.
En muchas situaciones y aplicaciones, se
prefiere poner a presión el agua en un recipiente adecuado 402 para
proporcionar la separación por diferencias de solubilidad según se
desee para purificar el hidrógeno. En la operación, se impulsan
mezclas de hidrógeno y dióxido de carbono a través del tubo 404 al
recipiente a presión 402 a la presión nominal de 3.100 kPa. Se
prefiere utilizar un mezclador en espiral consistente en una aleta
helicoidal 406 que causa que la mezcla de gases se lave a lo largo
de la superficie y forme altas relaciones de superficie a volumen.
Los gases mezclados siguen una ruta extendida a través del agua a
medida que el dióxido de carbono es absorbido para permitir recoger
el hidrógeno en la parte superior del lavador espiral 406 mediante
el tubo 408 como se muestra. Se absorbe el dióxido de carbono en el
agua, mientras que se recoge el hidrógeno en la parte superior del
separador 406 como se muestra.
Se suministra hidrógeno por el conducto 408 para
uso inmediato en un motor o celda de combustible, o puede
almacenarse para uso futuro según sea necesario. Se toma el agua
saturada con dióxido de carbono del recipiente absorbente 402 por
el tubo 410 al colector de válvula 426, que proporciona válvulas de
control para regular el flujo de agua rica en dióxido de carbono en
cada uno de un grupo de intercambiadores de calor tales como 414,
416, 418, 420, 422 y 424, como se muestran. Cada intercambiador de
calor está dotado de una tobera de salida que está dirigida a las
hojas o paletas de un rotor de motor de fluido adyacente tal como
430, 432, 434, 436, 438 y 440, que suministra energía a un eje de
salida común como se muestra.
Se impulsan repentinamente las existencias de
agua y solución de dióxido de carbono a presión a un intercambiador
de calor precalentado tal como 414 abriendo brevemente la válvula de
control que sirve a 414. A medida que se calienta el fluido,
aumentan la temperatura y presión del fluido y se vaporiza y se
expulsa con un momento muy alto al motor mecánico 430. Cada una de
las otras cámaras de intercambiador de calor recibe una carga de
fluido periódicamente, de modo que puede considerarse que la energía
del eje del grupo de motores mostrado tiene aplicación de par de
múltiples fases, tales como seis fases si cada intercambiador de
calor recibe flujo en momentos diferentes, o tres fases si dos
intercambiadores de calor se llenan simultáneamente. Una aplicación
adecuada de la salida del motor de fluido es el generador 428 u
otras cargas útiles según sean necesarias.
Se prefiere proporcionar una radiación
concentrada a los intercambiadores de calor mediante un colector
solar adecuado tal como un campo de heliostatos o un disco
parabólico 442 como se muestra. En momentos en que la energía solar
es insuficiente para satisfacer las necesidades de conversión de
energía, puede aplicarse un calor suplementario mediante combustión
en un quemador adecuado 448. Para dicho calentamiento suplementario,
se prefieren utilizar mezclas de dióxido de carbono e hidrógeno y/u
otros gases combustibles liberados mediante digestión anaeróbica de
materia orgánica.
Después de experimentar el calentamiento y la
expansión a una presión adecuadamente baja, se recoge el dióxido de
carbono por el tubo 458 y se lleva a una aplicación adecuada. Se
condensa el agua y se recoge en el depósito 450, que se enfría
mediante el intercambiador de calor a contracorriente 456 mediante
circulación de un fluido de intercambio de calor adecuado desde 446
a 456, y después a través de 448 hasta una aplicación de
cogeneración adecuada. Se pone a presión agua enfriada por la bomba
454 y se devuelve al recipiente a presión 402 para completar el
nuevo ciclo de retirada del dióxido de carbono y conversión de
energía.
Los siguientes ejemplos no limitantes sirven
para ilustrar la invención.
Los electrodos eran barras de hierro colado de
300 mm de longitud, 25 mm de anchura y 2,5 mm de grosor. Se
utilizaron también otros electrodos metálicos, incluyendo electrodos
de plomo, cobre, acero y latón. Se utilizó también un par de
electrodos de grafito impregnados con cobre del mismo tamaño; la
degradación del electrodo de grafito no era muy destacable.
Se obtuvieron muestras de material de vertido de
un vertido sanitario en Staten Island, Nueva York, a una
profundidad de 9,1 a 15,2 m. Los materiales de vertido producían
naturalmente metano y dióxido de carbono como gases principales (en
proporciones 55:35) mediante metanogénesis, y tenían un pH de
6,5-7,0.
Se tomaron muestras de lodo de un digestor
primario de una planta de tratamiento de agua residual en Brooklyn,
Nueva York. El lodo de agua residual producía naturalmente metano y
dióxido de carbono (en proporciones 65:35) mediante metanogénesis,
y tenía un pH de 7,0-7,5.
En un conjunto de experimentos, se investigó
cada muestra en un matraz de 800 ml con un tapón de goma de tres
orificios. Se insertaron los electrodos en la muestra a través de
dos de los orificios; el tercer orificio se ocupó con un tubo de
suministro de vidrio conectado a un analizador de gas. Se conectaron
los electrodos mediante dos pilas de 1,5 V en serie, dando como
resultado un potencial aplicado de aproximadamente 3,0 V. Se
dispuso el dispositivo en un incubador fijado a 37ºC o 55ºC. Se
realizaron otros experimentos utilizando un fermentador New
Brunswick que tiene un recipiente de vidrio de 6-8
l donde la temperatura y la velocidad de agitación podían
controlarse a voluntad.
Como control experimental, se dispuso lodo de
agua residual recién obtenido en un matraz de 800 ml en un incubador
a 37ºC. Se produjeron gases, principalmente metano, como se
describe en la Tabla 1 y se exhibe en la Figura 3.
Se dispuso lodo de agua residual del digestor
primario en un matraz de 800 ml, que se dispuso después en un
incubador precalentado a 37ºC. Se generó gas metano. En cuanto se
consiguió la producción óptima de metano, se pasó una corriente
eléctrica a través del líquido en el matraz. La producción de gas
metano se redujo gradualmente, y se produjeron hidrógeno y dióxido
de carbono. Se suprimió completamente el metano cuando la producción
de hidrógeno alcanzó su máximo, como se describe en la Tabla 2 y
se exhibe en la Fig. 4.
* inicio del paso de corriente eléctrica.
Se dispuso lodo de agua residual del digestor
primario en un matraz de 800 ml, que se dispuso después en un
incubador a 37ºC. Se pasó una corriente eléctrica a través del lodo,
aplicando 3 V utilizando las dos pilas de 1,5 V en serie. Se
produjo muy poco metano en la salida. Al cabo de 3 días, la
producción de hidrógeno alcanzó su máximo y virtualmente el gas
metano se había suprimido totalmente, como se describe en la Tabla
3 y se exhibe en la Fig. 5.
Se dispuso una muestra de lodo de agua residual
en un matraz de 5 l en el fermentador New Brunswick y se
introdujeron 4 electrodos. Se pasó una corriente eléctrica (2,5 V y
0,05 a 0,07 A) a través de la muestra. Inicialmente, se produjeron
sólo metano y dióxido de carbono, generándose muy poco hidrógeno. En
cuanto el voltaje aumentó a 4,0-4,5, y la corriente
a 0,11-0,15 A, se suprimió gradualmente el metano y
se produjo hidrógeno como se describe en la Tabla 4.
\vskip1.000000\baselineskip
Se examinaron materiales de vertido recogidos
mediante perforaciones aleatorias para la determinación de los
menores gastos de energía por unidad de energía producida. Los
experimentos se desarrollaron con materiales de vertido (desechos
sólidos municipales compostados) en dos matraces de 800 ml (1) con
materiales de vertido sólo, (2) con materiales de vertido tratados
eléctricamente. Los resultados se describen en las Tablas 5 y 6 y
se exhiben en las Fig. 6 y 7.
\vskip1.000000\baselineskip
Se repitió el procedimiento del ejemplo 5 (1)
con lodo de agua residual sólo, (2) con lodo de agua residual
tratado eléctricamente. Los resultados se describen en las Tablas 7
y 8 y se exhiben en la Fig. 8.
Se pasó una corriente a través de materiales de
vertido en un recipiente de 6 l equipado con electrodos aplicando
un potencial eléctrico de 3,5 V. Los resultados se describen en la
Tabla 9 y se exhiben en la Fig. 9.
Se dispusieron materiales de vertido en un
recipiente de 6 l equipado con electrodos en un incubador
precalentado a 55ºC. Después de 4 días, se aplicó un potencial
eléctrico de 3,5 V a través de los electrodos. Los resultados se
describen en la Tabla 10 y se exhiben en la Fig. 10.
* inicio del paso de corriente eléctrica
Se consiguieron resultados similares mezclando
cantidades relativamente pequeñas de inóculos de lodo de agua
residual con estiércol de granja y/o residuos agrícolas. Después de
periodos de incubación en los que se establecieron las condiciones
anaeróbicas, se produjeron metano y dióxido de carbono con muy poco
hidrógeno. Tras la aplicación de un potencial eléctrico de 2,0 a
5,0 V para generar una corriente de 0,10 a 0,20 A, se redujo la
producción de metano y se produjo hidrógeno en cantidades similares
a las mostradas en la Tabla 10. Se consiguieron también resultados
similares utilizando inóculos de procesos previos del ejemplo 4.
Claims (5)
1. Un procedimiento para tratar material
orgánico descompuesto anaeróbicamente, que comprende generar una
corriente eléctrica dentro de dicho material para potenciar la
actividad de microorganismos productores de hidrógeno y reducir la
actividad de microorganismos productores de metano, en el que se
emplea un potencial eléctrico de 3-6 V.
2. Un procedimiento según la
reivindicación 1, en el que dicho material orgánico descompuesto
anaeróbicamente comprende materiales celulósicos compostados
anaeróbicamente y/o lodo de agua residual digerido
anaeróbicamente.
3. Un procedimiento según la
reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que dicha corriente
eléctrica se genera mediante la aplicación de un potencial
eléctrico a través de electrodos en contacto con el material
orgánico.
4. Un procedimiento según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el que se utiliza una porción
del hidrógeno producido por el material orgánico en un procedimiento
de conversión de energía para proporcionar energía para generar
dicha corriente eléctrica.
5. Un procedimiento según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el que dicha corriente
eléctrica se genera intermitentemente.
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