Research and application of biofiltration materials in the purification of biogas from hydrogen sulfide
Santrauka
This dissertation analyzes the removal of hydrogen sulfide (H₂S) from biogas via biofiltration. The study addresses one of the major challenges in biogas utilization, effective H₂S removal, since this compound is toxic and corrosive, and significantly reduces the operational efficiency and service life of biogas energy systems. The main object of the research is biofiltration materials intended for hydrogen sulfide removal from biogas: biochar produced from sewage sludge, cellular lightweight concrete (CLC) waste, and polyurethane foam (PUF). The doctoral dissertation aims to increase the efficiency of hydrogen sulfide removal from biogas and to enhance the operational stability of the biofilter by applying physically and chemically modified as well as unmodified waste-derived materials within the biofiltration process.
The dissertation consists of an introduction, a literature review, chapters on methodology and results, general conclusions and recommendations, and lists of references and the author’s publications related to the dissertation topic.
The Introduction presents the research problem and its relevance, describes the research object, formulates the aim and objectives, outlines the research methodology, scientific novelty, and practical significance of the results, and states the defended propositions.
The First Chapter reviews biotechnologies for hydrogen sulfide removal from biogas, with particular emphasis on biofiltration mechanisms, the properties of biofilter packing materials, and the key factors determining process efficiency. The Second Chapter describes the experimental methodologies used to select biofiltration materials, determine their physicochemical and adsorption properties, inoculate and cultivate microorganisms, evaluate hydrogen sulfide removal efficiency, and the mathematically model the biofiltration process. The Third Chapter presents the results of theoretical and experimental investigations of innovative filtration materials, revealing the relationship between their properties and modification with microbial establishment, biofilm formation, and filter performance in hydrogen sulfide removal, and compares experimental results with mathematical modeling outcomes.
Eight scientific papers related to the dissertation topic have been published: two in Web of Science-indexed journals with an impact factor, one in a Web of Science-indexed journal without an impact factor, four in other internationally indexed journals, and one in a conference proceedings volume indexed in the Scopus database. Seven presentations on the dissertation topic were given at national and international scientific conferences. Disertacijoje analizuojamas sieros vandenilio (H₂S) pašalinimas iš biodujų, taikant biofiltracijos metodą. Darbe sprendžiama viena pagrindinių biodujų panaudojimo problemų – efektyvus H₂S šalinimas, kadangi ši medžiaga yra toksiška, korozinė ir reikšmingai mažina biodujų energetinių sistemų eksploatacinį efektyvumą bei jų tarnavimo laiką. Pagrindinis tyrimo objektas – sieros vandeniliui šalinti iš biodujų skirtos biofiltracijos medžiagos: iš nuotekų dumblo pagamintos bioanglys, akytojo lengvojo betono (CLC) atliekos ir putų poliuretanas (PUF). Pagrindinis disertacijos tikslas – didinti sieros vandenilio šalinimo iš biodujų efektyvumą ir biofiltro veikimo stabilumą, biofiltracijos procese taikant fiziškai ir chemiškai modifikuotas bei nemodifikuotas atliekų kilmės medžiagas.
Darbą sudaro įvadas, literatūros apžvalga, metodikos ir rezultatų skyriai, bendrosios išvados ir rekomendacijos, naudotos literatūros ir autoriaus publikacijų disertacijos tema sąrašai. Įvadiniame skyriuje pateikiama tiriamoji darbo problema, aktualumas, aprašomas tyrimų objektas, formuluojamas tikslas ir uždaviniai, aprašoma tyrimų metodika, darbo mokslinis naujumas, rezultatų praktinė reikšmė, ginamieji teiginiai.
Pirmajame skyriuje apžvelgiamos sieros vandenilio šalinimo iš biodujų biotechnologijos, daugiausia dėmesio skiriant biofiltracijos mechanizmams, biofiltrų užpildų savybėms ir pagrindiniams proceso efektyvumą lemiantiems veiksniams. Antrajame skyriuje aprašomos eksperimentinių tyrimų metodikos, skirtos biofiltracijos medžiagoms parinkti, jų fizikinėms ir cheminėms savybėms, adsorbcinėms charakteristikoms nustatyti, mikroorganizmų inokuliacijai ir auginimui, taip pat sieros vandenilio šalinimo efektyvumui vertinti ir biofiltracijos procesui matematiškai modeliuoti. Trečiajame skyriuje pateikiami inovatyvių filtravimo medžiagų teorinių ir eksperimentinių tyrimų rezultatai, atskleidžiantys šių medžiagų savybių ir modifikacijos ryšį su mikroorganizmų įsitvirtinimu, bioplėvelės formavimusi ir filtro efektyvumu šalinant sieros vandenilį, taip pat palyginami eksperimentiniai duomenys su matematinio modeliavimo rezultatais.
Disertacijos tema yra atspausdinti 8 moksliniai straipsniai: du – Web of Science duomenų bazės leidiniuose, turinčiuose citavimo rodiklį, vienas – Web of
Science duomenų bazės leidinyje, neturinčiame citavimo rodiklio, keturi – kitose tarptautinėse duomenų bazėse referuojamuose leidiniuose, vienas tik Scopus duomenų bazėje referuojamame konferencijų darbų leidinyje. Disertacijos tema perskaityti 7 pranešimai Lietuvos ir kitų šalių konferencijose.