Использование плазмы для обработки биомассы в производстве биогаза

«Плазма можно рассматривать как реактивный газ, который содержит совокупность частиц, содержащих несколько электрон-вольт кинетической энергии. Эта энергия может быть использована для разрыва химических связей в веществах, с которыми она взаимодействует»

Производство биогаза с помощью бактериального расщепления биомассы открывает возможности для создания экологически чистой энергетики будущего. Однако сложный состав биомассы относительно ее переработки тянет за собой длинный список проблем.

Биогаз - это возобновляемый источник энергии. В основном он представляет из себя смесь из CH₄, CO₂ и H_2, которая образуется во время анаэробного переваривания биомассы бактериями. Переваривание биомассы представляет собой четырехэтапный процесс, который разлагает длинные и сложные молекулярные цепи.

Древесная целлюлоза и лигноцеллюлоза, содержащаяся, в частности, в навозе, трудно перевариваются бактериями, что делает процесс преобразования ее компонентов в ценные химические соединения малоэффективным.

Чтобы улучшить переваривание биомассы бактериями для предварительной обработки сырья можно использовать химические, физические или механические процессы, или их сочетание, но многие из имеющихся технологических методов являются дорогими или неэффективными, или они используют агрессивные химические реагенты, представляющие опасность для окружающей среды.

В исследовании, опубликованном в AIP Advances [1], исследователи из Института плазменных исследований и технологий имени Лейбница предлагают использовать плазму для предварительной обработки биомассы с целью облегчения ее дальнейшего преобразования в биогаз.

«Плазма можно рассматривать как реактивный газ, который содержит совокупность частиц, содержащих несколько электрон-вольт кинетической энергии. Эта энергия может быть использована для разрыва химических связей в веществах, с которыми она взаимодействует».

Взаимодействие плазмы и жидкости приводит к образованию высокореактивных химических соединений в жидкой фазе, таких как, например, гидроксильный радикал и H₂O₂. Основное преимущество плазмы по сравнению с другими методами предварительной обработки биологического сырья заключается в возможности получения сильных окислителей из самой биомассы без использования дополнительных источников извне.

«Самым удивительным стало достижение возникновения плазменного разряда в условиях движущейся жидкости. Наличие потока значительно усложняет технологический процесс по сравнению со всеми другими экспериментальными установками, представленными в разной литературе».

Работа включает в себя создание реактора, в котором микроволновые импульсы мощностью 2 киловатт, подаваемые в движущуюся жидкую среду, вызывают образование плазмы в течение одной миллисекунды. Вся микроволновая энергия концентрируется в небольшой полости, содержащей менее 1 миллилитра жидкости, которая нагревается, испаряется и, наконец, воспламеняется, образуя расширяющийся плазменный пузырь.

Исследуя динамику плазменных пузырьков, оценивая изменение размера и формы, время жизни и давление внутри пузырьков в плазме, исследователи стремятся понять природу образующихся в ней химически активных частиц.

Представленная работа может быть использована для увеличения производства биогаза, повышения эффективности воздействия микроволнового излучения, плазмы и жидкости.

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1063/5.0018626

Источник: EurekAlert