14.12.2021

Termiczne przetwarzanie odpadów komunalnych i biomasy odpadowej. Badania naukowców z AGH


Grafika przedstawia koncepcję gospodarki o obiegu zamkniętym. Znajduje się na niej symbol nieskończoności trzymany na dłoni. Po lewej stronie widnieje na nim czarna planeta Ziemia, natomiast po prawej zielona planeta Ziemia. Źródło: Dreamstime

Idea gospodarki o obiegu zamkniętym; żródło: Dreamstime

Znaczny odsetek wszystkich śmieci w Polsce stanowią odpady organiczne. W jaki sposób można je wykorzystać, by nie zalegały na wysypisku? Na to pytanie odpowiada zespół badawczy pod kierownictwem dr hab. Anety Magdziarz, prof. AGH, z Wydziału Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej. W ramach jednego z grantów uczelnianych projektu „Inicjatywa Doskonałości - Uczelnia Badawcza” naukowcy z AGH badają proces pirolizy bioodpadów, dzięki któremu mogą one być ponownie wprowadzone do obiegu. Jak się okazuje, termiczna przemiana odpadów organicznych pozwala na przykład odzyskać z nich wartościowe produkty, a nawet przekształcić odpady w paliwo alternatywne. Prowadzenie badań termicznej konwersji odpadów wpisuje się tym samym w koncepcję gospodarki o obiegu zamkniętym (ang. circular economy).

Priorytet: Ochrona środowiska

Jednym z priorytetów w dziedzinie ochrony środowiska jest realizacja idei gospodarki o obiegu zamkniętym (GOZ). Koncepcja ta opiera się na dość prostym założeniu, że ziemskie zasoby są ograniczone i dlatego należy po pierwsze zminimalizować wydobycie surowców, a po drugie zmniejszyć – produkcję odpadów. Środkiem do tego celu może być z kolei postępowanie według zasady 3R – reduce, reuse, recycle. Chodzi przede wszystkim o ograniczenie niepotrzebnej konsumpcji, ponowne wykorzystanie produktów, a także odzyskiwanie surowców ze śmieci. W ten sposób można nie tylko zaradzić niedoborom ziemskich zasobów, lecz również zredukować emisję gazów cieplarnianych do naszej atmosfery powodujących negatywne zmiany klimatu.

Grupa badawcza pod kierunkiem prof. Anety Magdziarz koncentruje się przede wszystkim na problematyce przetwarzania odpadów organicznych, z których można pozyskać zarówno surowce do przemysłu chemicznego, jak i biopaliwa. Prace nad tym zagadnieniem wpisują się w zakres pierwszego Priorytetowego Obszaru Badawczego (POB-1), wyłonionego w ramach projektu „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza”. POB-1 służy poszukiwaniu zrównoważonych technologii energetycznych, odnawialnych źródeł i magazynów energii oraz wypracowaniu skutecznych metod zarządzania zasobami. Poprzez te działania AGH chce wypełnić swoje zobowiązania wobec społeczeństwa, dostarczając wiedzę i rozwiązania, mające kluczowe znaczenie dla dalszego postępu ludzkości.

Eksploracje naukowców

W jaki sposób można odzyskać z bioodpadów cenne surowce bądź zamienić je w pożyteczne źródło energii? Dobrą alternatywą dla składowania śmieci i różnego rodzaju odpadów na wysypiskach jest np. termiczne przekształcanie, pozwalające uzyskać z nich przydatne produkty. Można tego dokonać za pomocą procesów termicznej konwersji – np. toryfikacji, hydrotermicznego uwęglania, pirolizy czy zgazowania. Naukowcy z AGH w ramach swojego projektu skoncentrowali się na procesie pirolizy odpadów organicznych. Piroliza (gr. pyro – ogień, lysis – rozpad) jest procesem polegającym na rozkładzie złożonych związków chemicznych na związki proste, który zachodzi w warunkach wysokiej temperatury w atmosferze beztlenowej (N2, Ar).

 

Techniczny schemat stanowiska eksperymentalnego, wykorzystanego podczas badań nad termicznym przetwarzaniem bioodpadów

Badania prowadzone w AGH dotyczą pirolizy odpadów pochodzenia rolniczego oraz odpadów typu drzewnego. W ramach realizacji projektu dokonano szczegółowej analizy parametrów fizykochemicznych substratów i produktów pirolizy badanych odpadów, wykorzystując szerokie spektrum zaawansowanych metod instrumentalnych. Ponadto sprawdzono także, w jaki sposób udział katalizatora wpływa na wydajność procesu oraz na jakość poszczególnych produktów. W ramach współpracy z Xi’an Jiaotong University prowadzono również badania tzw. współpirolizy drzewnej biomasy odpadowej i odpadów gumowych w warunkach krakingu katalitycznego. W efekcie uzyskano zmniejszenie stężenia fenolu w oleju pirolitycznym oraz zmniejszenie zawartości wody w produktach pirolizy.

Warunkiem otrzymania grantu na badania było przygotowanie publikacji we współpracy międzynarodowej oraz uczestnictwo w zespole badawczym co najmniej jednego doktoranta. Do zespołu badawczego realizującego ww. projekt pod kierownictwem prof. Anety Magdziarz z WIMIiP należy dwoje doktorantów. Doktorantka Studiów Doktoranckich WIMiIP – mgr inż. Małgorzata Sieradzka i doktorant Szkoły Doktorskiej AGH – mgr inż. Artur Bieniek. Udział w projekcie jest dla nich doskonałą okazją do poszerzenia wiedzy, rozwoju naukowego oraz możliwością nawiązania współpracy międzynarodowej. Obydwoje doktoranci mają zadania, za które są odpowiedzialni w ramach realizacji projektu. Mgr inż. Artur Bieniek wykorzystuje metody numeryczne z zakresu komputerowej mechaniki płynów (ang. CFD – computational fluid dynamics) do obliczeń wydajności produktów pirolizy przy zmieniających się warunkach procesu: tj. temperatury, rodzaju gazu nośnego czy szybkości jego przepływu. Do tego celu doktorant wykorzystuje program Ansys Fluent, który jest dedykowany do zagadnień naukowych dotyczących wymiany ciepła oraz masy. Mgr inż. Małgorzata Sieradzka wykonuje badania analizy składu gazu pirolitycznego z wykorzystaniem chromatografii gazowej.

Struktura biomasy i biowęgla w powiększeniu

Chromatografia gazowa jest metodą instrumentalną, która służy do analizy składu poszczególnych związków chemicznych w mieszaninie. Krótko mówiąc, mamy pewną mieszaninę gazową – dla przykładu gaz pirolityczny – i analizujemy go pod kątem zawartości i stężenia m.in. wodoru, tlenku węgla, dwutlenku węgla i węglowodorów. W celu analizy poszczególnych związków wchodzących w skład mieszaniny gazowej, są one przenoszone przez obojętny gaz nośny (np. He) do kolumny chromatograficznej, gdzie dochodzi do ich rozdziału na podstawie tzw. czasu retencji. Kolumna dobierana jest odpowiednio pod kątem analizowanych substancji. W rezultacie otrzymujemy chromatogram, będący obrazem przedstawiającym piki dla poszczególnych związków w funkcji czasu. Wyniki te porównywane są z chromatogramami otrzymanymi podczas analizy gazów wzorcowych o znanym składzie i stężeniu – tłumaczy kierowniczka projektu.

Drugie życie bioodpadów

Zużyte materiały organiczne mogą zyskać drugie życie na wiele sposobów. Inną metodą ich wykorzystania jest przekształcenie w paliwo RDF (ang. Refuse Derived Fuel). Tak określa się krótko paliwa alternatywne z wyselekcjonowanych odpadów o wysokiej wartości opałowej (14-19 MJ/kg). Tego typu źródło energii może być dobrym zamiennikiem dla konwencjonalnego paliwa kopalnego – węgla, ropy czy też gazu ziemnego. Co więcej, bioodpady są także cennym źródłem związków chemicznych, które można z powodzeniem wykorzystać do produkcji kosmetyków. Takim przykładem jest odpad z przemysłu browarniczego, czyli tzw. młóto, które jest materiałem lignocelulozowym i zawiera związki bioaktywne, w tym związki fenolowe, które cieszą się ogromnym zainteresowaniem społeczności naukowej ze względu na ich szerokie zastosowanie.

***

Projekt Wielokryterialna analiza procesu pirolizy rolniczej biomasy odpadowej, odpadów biodegradowalnych oraz paliwa typu RDF sfinansowany został z grantu uczelnianego (konkurs System grantów uczelnianych na prace badawcze realizowane z udziałem doktorantów – Działanie 4), w ramach projektu „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza”.