Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2015-08-12T12:22:44Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2015-08-12T12:22:44Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:08:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AngeloASO_DISSERT.pdf: 1949187 bytes, checksum: e1a09a3868062ecaf1e44bef8c6c67fb (MD5) Previous issue date: 2013-11-18 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / Ionic liquids (ILs) are organic compounds liquid at room temperature, good electrical conductors, with the potential to form as a means for electrolyte on electrolysis of water, in which the electrodes would not be subjected to such extreme conditions demanding chemistry [1]. This paper describes the synthesis, characterization and study of the feasibility of ionic liquid ionic liquid 1-methyl-3(2,6-(S)-dimethyloct-2-ene)-imidazole tetrafluoroborate (MDI-BF4) as electrolyte to produce hydrogen through electrolysis of water. The MDI-BF4 synthesized was characterized by thermal methods of analysis (Thermogravimetric Analysis - TG and Differential Scanning Calorimetry - DSC), mid-infrared spectroscopy with Fourier transform by method of attenuated total reflectance (FTIR-ATR), nuclear magnetic resonance spectroscopy of hydrogen (NMR 1H) and cyclic voltammetry (CV). Where thermal methods were used to calculate the yield of the synthesis of MDI-BF4 which was 88.84%, characterized infrared spectroscopy functional groups of the compound and the binding B-F 1053 cm-1; the NMR 1H analyzed and compared with literature data defines the structure of MDI-BF4 and the current density achieved by MDI-BF4 in the voltammogram shows that the LI can conduct electrical current indicating that the MDI-BF4 is a good electrolyte, and that their behavior does not change with the increasing concentration of water / Os l?quidos i?nicos (LIs) s?o compostos org?nicos l?quidos ? temperatura ambiente, bons condutores el?tricos, com potencial para constitu?rem como meio eletr?lito para a eletr?lise da ?gua, no qual os eletrodos n?o seriam submetidos a condi??es t?o extremas de exig?ncia qu?mica [1]. O presente trabalho descreve a s?ntese, a caracteriza??o e o estudo da viabilidade do l?quido i?nico tetrafluoroborato de 1-metil-3(2,6-(S)-dimetiloct-2-eno)-imidazol (MDI-BF4) como eletr?lito para a produ??o de hidrog?nio atrav?s da eletr?lise da ?gua. O MDI-BF4 sintetizado foi caracterizado por: m?todos t?rmicos de an?lise (An?lise Termogravim?trica - TG e Calorimetria Explorat?ria Diferencial - DSC); espectroscopia de infravermelho m?dio com transformada de Fourier pelo m?todo da reflect?ncia total atenuada (FTIR-ATR); espectroscopia de resson?ncia magn?tica nuclear de hidrog?nio (RMN 1H) e voltametria c?clica (VC). Onde os m?todos t?rmicos foram utilizadas para calcular o rendimento da s?ntese do MDI-BF4 que foi de 88,84 %; a espectroscopia de infravermelho caracterizou os grupos funcionais do composto e a liga??o B-F em 1053 cm-1; o RMN 1H analisado e comparado com dados da literatura define a estrutura do MDI-BF4 e a densidade de corrente alcan?ada pelo MDI-BF4 no voltamograma mostra que o LI consegue conduzir corrente el?trica indicando que o MDI-BF4 ? um bom eletr?lito e que seu comportamento n?o sofre altera??o com o aumento da concentra??o de ?gua

Améliorer la production en hydrogène dans les procédés de conversion des ressources renouvelables telles que la biomasse est un réel challenge dans le contexte de la production d’énergie propre et efficace. En effet, dans le procédé de conversion de la biomasse par vapogazéification, l’hydrogène est produit avec de quantités importantes de CO2, de CH4 et des molécules aromatiques lourdes, toxiques et complexes appelées goudrons. Ce travail s’intéresse à la production d’hydrogène par vaporeformage des goudrons avec capture in-situ de CO2 dans les procédés de vapogazéification de la biomasse. Nous proposons un système catalytique bifonctionnel de type Fe/CaO-Ca12Al14O33 dans lequel le fer est actif pour la production d’H2 tandis que la phase absorbante CaO-Ca12Al14O33 capture le CO2, ces deux processus se font simultanément dans un réacteur à lit fixe. Ce travail a permis de développer un système de type CaOCa12Al14O33/ olivine adapté pour la gazéification de la biomasse « Miscanthus » dans un réacteur à lit fluidisé. / Improve the hydrogen production from the conversion of renewable resources such as biomass is a real challenge in the context of the production of clean and efficient energy. In fact, during the biomass steam gasification, hydrogen is produced with significant amounts of CO2, CH4 and heavy, toxic and complex aromatic molecules called tars. This work focuses on the production of hydrogen by steam reforming of tar with in-situ CO2 capture. We propose a catalytic bi-functional material Fe/CaO-Ca12Al14O33 where iron favors the H2 production and simultaneously the CaO-Ca12Al14O33 capture CO2 in a fixed bed reactor. This work led also to the development of a CaOCa12Al14O33/ olivine system adapted for biomass gasification "Miscanthus" in a fluidized bed reactor.

Les matériaux céramiques poreux présentent des propriétés de grand intérêt grâce à leur potentiel dans les applications de l'énergie. L'objectif général de cette thèse concerne le développement de matériaux (carbo)nitrures pour la production et le stockage de l'hydrogène (synthèse, caractérisation, propriétés et applications). La voie polymère précéramique, offrant un grand nombre de possibilités dans la chimie et la science des céramiques, est utilisée pour élaborer ces matériaux. Tout d'abord, nous avons préparé les systèmes binaires poreux tels que AlN et BN en répliquant la structure du CMK-3 et du charbon actif. Après pyrolyse, nous avons démontré la faisabilité de produire des nitrures avec une porosité adaptée. Par ailleurs, en couplant la voie polymère précéramique avec la technologie des aérogels, nous avons réussi à préparer des aérogels AlN et BN avec une porosité relativement élevée. Nous avons évalué le potentiel de ces matériaux poreux pour le nanoconfinement de deux hydrures chimiques, l'alanate de sodium et l'ammoniaborane, respectivement. Dans les deux cas, la nanoconfinement a déstabilisé le réseau de l'hydrure et a permis la libération de H2 à de basses températures ; en outre, dans le cas de l'ammoniaborane confiné, aucun sous-produit gazeux indésirable n'a été détectée, ce qui confirme la pureté du H2 dégagé. Deuxièmement, nous avons préparé des systèmes quaternaires poreux par association de AlN/BN avec des céramiques à base de silicium. En particulier, nous avons élaboré des céramiques SiAlCN en utilisant deux approches: la voie à « 2 sources » et la voie à « source unique ». En ce qui concerne la première, nous avons préparé des matériaux mésoporeux ordonnés qui ont été utilisés comme supports catalytiques pour l'hydrolyse d'une solution alcaline de borohydrure de sodium. Nous avons réussi à générer du H2 avec des cinétiques élevées. En ce qui concerne la seconde approche, le travail a porté sur l'étude de la chimie de matériaux SiAlCN et SiBCN. Des mousses cellulaires SiAlCN ont été préparées par l'utilisation de charges sacrificielles. / Porous inorganic materials are of great interest owing to their potential in energy applications. The general objective of the present thesis concerns the development of functional (carbo)nitrides for hydrogen generation and storage (material design, elaboration, properties and applications). The PDCs route, which offers a large number of opportunities in chemistry and ceramic sciences, has been applied to produce functional (carbo)nitrides materials. Firstly, we prepared porous binary systems such as AlN and BN by replicating the structure of CMK-3 and that of activated carbon. After pyrolysis and removal of the template, we demonstrated the feasibility of producing nitrides with tailored porosity. Moreover, by coupling the PDCs route with the aerogel technology, we succeeded in preparing polymer-derived AlN and BN aerogels. We assessed the potential of these porous AlN and BN materials in nanoconfinement of two chemical hydrides, namely sodium alanate and ammoniaborane, respectively. In both cases, the nanoconfinement destabilized the network of the hydride and favored the release of H2 at low temperature. Besides, in the case of nanoconfined ammoniaborane, no evolution of undesired gaseous by-products was observed, which means that pure hydrogen was produced in our conditions. Secondly, we prepared porous quaternary systems through the association of AlN/BN with Si-based ceramics. In particular, we investigated the preparation of SiAlCN with tailored porosity by using two approaches: the “molecular building block” and “single-source precursor” approaches. Concerning the former, we investigated the preparation of ordered mesoporous materials to be used as catalytic supports for hydrolysis of alkaline solution of sodium borohydride. We succeeded in generating high amounts of H2 with attractive kinetics. Concerning the latter approach, the work was focused on the investigation of the chemistry of SiAlCN and SiBCN materials with a particular focus on the elaboration of SiAlCN microcellular foams by a sacrificial processing route.

Submitted by Franciele Moreira (francielemoreyra@gmail.com) on 2018-08-29T13:43:45Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Lucas Clementino Mourão - 2018.pdf: 2137358 bytes, checksum: fb0f843e55d7839ce63dfaae63046a2b (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-08-29T14:13:25Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Lucas Clementino Mourão - 2018.pdf: 2137358 bytes, checksum: fb0f843e55d7839ce63dfaae63046a2b (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-29T14:13:25Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Lucas Clementino Mourão - 2018.pdf: 2137358 bytes, checksum: fb0f843e55d7839ce63dfaae63046a2b (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-07-19 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The great environmental concern, coupled with the risk of depletion of non-renewable raw material, has driven the search for new sustainable technologies with major concern to the reduction of pollutant emissions. Hydrogen, a chemical of enormous importance to industrial plants, stands out as a clean and renewable energy source. This chemical is commonly produced from non-renewable sources, such as natural gas reforming. Due to specific reaction conditions, the supercritical water gasification of wet biomass is a promising way for the production of hydrogen and others high added value fuel gases. Ethanol is an attractive material because it is renewable, has low toxicity compared to other resources and has high hydrogen content in its molecule. In order to become this technology viable, a decisive point is the development of a catalyst aiming at cost reductions and high selectivity to the products of interest. In this work, ethanol gasification was carried out in supercritical water with heterogeneous catalysts. The tests were performed on an Inconel Alloy 625 tubular reactor under the following operating conditions: temperatures of 400, 450, 500, 550, 600 and 650 ºC, pressure of 250 bar, 5 g loading of heterogeneous catalyst, reactor feed: ethanol/water molar ratio of 1:10 and mass flow rate of 5 g/min. The catalysts were synthesized by wet impregnation method using aqueous solutions of Cu, Co and Zn nitrates as precursors for the active phase and spherical pellets of Al 2 O 3 as catalytic support. The catalysts and the catalytic support were characterized by Thermogravimetry and Differential Thermal Analysis (TG/DTA), X-Ray Fluorescence (XRF), Scanning Electron Microscopy (SEM), textural analysis by Adsorption/Desorption Isotherms of N 2 at 77 K and X-Ray Diffraction (XRD). The gasification results indicated that H 2 production was mainly due to ethanol dehydrogenation. The catalysts showed higher conversions than observed for catalytic support only. The CuAl catalyst showed higher H 2 selectivity as well as higher H 2 molar flow at 650 °C. The CoZnAl catalyst showed a high tendency for C 2 H 4 formation at any reaction temperature, especially at 650 °C. / A grande preocupação ambiental, junto da possibilidade de insuficiência de matéria prima não renovável, tem estimulado a busca de novas tecnologias sustentáveis com maior atenção à emissão de poluentes. O hidrogênio, substância química de enorme importância nas industriais, destaca-se como uma fonte de energia limpa e renovável. Hidrogênio é comumente produzido a partir de fontes não renováveis, como na reforma à vapor do gás natural. Devido a características reacionais específicas, a gaseificação de biomassas úmidas em meio contendo água em condições supercrítica é um caminho promissor para a produção de hidrogênio e outros gases combustíveis com alto valor agregado. O etanol se mostra um material atraente pois é renovável, apresenta baixa toxicidade em comparação com outros recursos e possui alto teor de hidrogênio em sua molécula. Em busca de viabilizar tal tecnologia um ponto determinante é o desenvolvimento de catalisadores visando reduções de custo e aumento de seletividade aos produtos de interesse. Neste trabalho foram realizados testes de gaseificação de etanol em água supercrítica com catalisadores heterogêneos. Os testes foram executados em reator tubular feito de Inconel 625 sob as seguintes condições operacionais: temperaturas de 400, 450, 500, 550, 600 e 650 ºC, pressão de 250 bar, carga de 5 g de catalisador heterogêneo, alimentação do reator com razão molar de Etanol:Água de 1:10 e vazão mássica de alimentação de 5 g/min. Os catalisadores foram sintetizados a partir do método de impregnação de soluções aquosas dos nitratos precursores de Cu, Co e Zn com excesso de solvente e usando como suporte catalítico pellets esféricos de Al 2 O 3 . Os catalisadores e o suporte catalítico foram caracterizados por Termogravimetria e Análise Térmica Diferencial (TG/ATD), Fluorescência de Raios X (FRX), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), análise textural por Isotermas de Adsorção/Dessorção de N 2 a 77 K e Difração de Raios X (DRX). Os resultados de gaseificação indicaram que a produção de H2 se deu principalmente a partir da desidrogenação de etanol. Os catalisadores demonstraram conversões maiores ao observado apenas para o suporte catalítico. O catalisador CuAl apresentou maior seletividade a H 2 bem como maior vazão molar de H 2 à temperatura de 650 ºC. O catalisador CoZnAl apresentou elevada tendência a formação de C 2 H 4 em qualquer temperatura de reação, especialmente à temperatura de 650 ºC.

Este trabalho teve como objetivo a produção de hidrogênio em reator anaeróbio de leito fixo com fluxo ascendente utilizando-se efluente de indústria de refrigerantes. Os resultados obtidos demonstraram que a água residuária semi-sintética simulando efluente de indústria de refrigerantes tem um bom potencial de geração de hidrogênio. Dados da operação dos dois reatores utilizados mostraram que o maior rendimento foi alcançado pelo reator operado sem a adição de meio contendo nutrientes (R2), pois este foi capaz de atingir 4,2 mol \'H IND.2\'/mol de substrato em contraste com 2,5 mol \'H IND.2\'/mol de substrato, obtida pelo reator (R1), cujo afluente continha suplementação nutricional. Constatou-se que o reator operado sem adição de nutrientes (R2) apresentou continuidade na produção de hidrogênio, fato que não ocorreu com o reator R1, que exibiu uma produção efêmera e significativamente inferior. O melhor desempenho na velocidade de produção de hidrogênio e porcentagem do mesmo na composição do biogás também foi observado para o reator R2, que atingiu 0,52 L/h.L e 18,9% de \'H IND.2\' contra 0,28 L/h.L e 2,1% de \'H IND.2\' obtidos pelo reator com suplementação nutricional (R1). Após esta primeira etapa comparativa em que os reatores foram operados simultaneamente com TDH teórico de 0,5 h, prosseguiu-se apenas com a operação do reator R2, porém com tempo de detenção hidráulica teórico de 1 h, o que induziu uma maior conversão do substrato a ácidos e álcoois, mudou as características hidrodinâmicas do leito e afetou negativamente a produção de hidrogênio. / This work was aimed on hydrogen production in an upflow anaerobic packed-bed reactor fed with soft-drink wastewater. The results obtained show that the semisynthetic soft-drink wastewater has a good hydrogen generation potential. Data obtained from the operation of both reactors indicated that the reactor operated without the addition of medium containing macro and micronutrients (R2) provided higher hydrogen yield (4,2 mol \'H IND.2\'/mol of substrate) as compared to the reactor (R1) operated with the addition of nutrient medium, which achieved lower hydrogen production yield (2,5 mol \'H IND.2\'/mol of substrate). It was observed that the reactor operated without the addition of nutrients (R2) showed continuous hydrogen production, while the reactor R1 exhibited a short period of production and lower amounts of hydrogen. Better hydrogen production rate and percentage in the biogas were also observed for the reactor R2, which achieved 0,52 L/h.L and 18,9% of \'H IND.2\' against 0,28 L/h.L and 2,1% of \'H IND.2\' obtained by the reactor with nutrient addition (R1). After operation with HDT of 0,5 h, the reactor R2 was operated with theoretical HDT of 1 h. Under this condition, the substrate was mainly converted to acids and solvents, negatively affecting the hydrogen production and the hydrodynamic pattern of the reactor.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:42:19Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:59:55Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / O hidrogênio pode ser considerado um importante e promissor vetor energético, podendo ser utilizado para substituir os combustíveis fósseis no setor de transportes por meio de células a combustível. Existem muitos métodos de se produzir hidrogênio. Estes métodos incluem a reforma de gás metano, a eletrólise e processos termo químicos. Uma grande quantidade de energia é necessária para se produzir hidrogênio. Em muitos processos de produção de hidrogênio, a energia de entrada necessária é na forma de calor ou eletricidade. O objetivo deste trabalho é analisar a viabilidade da produção de hidrogênio eletrolítico, utilizando-se energia disponível do sistema interligado nacional da cidade de São Paulo. Para atingir este objetivo estudou-se o sistema elétrico brasileiro, a tecnologia de produção, armazenamento e transporte do hidrogênio, analisando-se os custos e a avaliação ambiental de cada item. Calculou-se as externalidades negativas da poluição ambiental causada pela frota de ônibus movidos a diesel e por meio das análises e estimativas mostrou-se a viabilidade de substituição dos ônibus a diesel por ônibus a hidrogênio e a consequente melhora na qualidade socioambiental da população da cidade de São Paulo. / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:35:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:03:58Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Uma variedade de suportes de óxidos metálicos em catalisadores foram sintetizados visando sua utilização na reforma a vapor do etanol para produção de uma mistura rica em hidrogênio para ser empregado nas células a combustível. Os catalisadores foram preparados pelos métodos da coprecipitação e geleificação interna, utilizando cobalto e níquel como metais ativos suportados em óxidos de alumínio, zircônio, lantânio e cério. Após preparados e calcinados a uma temperatura de 550ºC os sólidos foram caracterizados por diversas técnicas de análises tais como, difração de raios-X (DRX), espectroscopia de energia dispersiva (EDS), microscopia eletrônica de varredura (MEV), adsorção de nitrogênio (método B.E.T.), temperatura de redução programada em H2 (TRP-H2) e análise termogravimétrica. Os testes catalíticos foram realizados em um reator monolítico de quartzo onde foram variadas as condições termodinâmicas da reforma a vapor do etanol nas temperaturas de operação entre 500ºC e 800ºC. O gás de síntese obtido na reforma a vapor do etanol foi analisado on-line por um cromatógrafo a gás. O catalisador cobalto/níquel suportado em uma mistura de céria e lantânia (Co10% / Ni5% - CeO2La2O3) apresentou bom desempenho catalítico com seletividade em hidrogênio, alcançando uma concentração superior a 65%, quando comparado aos outros sistemas catalíticos como: Co10% / Ni5% - CeO2; Co10% / Ni5% - CeO2ZrO2; Co10% / Ni5% - ZrO2; Co10% / Ni5% - La2O3; Co10% / Ni5% - CeO2La2O3/K2%; Co10% / Ni5% - CeO2La2O3 / Na2%; Ni10% / Co5% - CeO2La2O3; Co-Al2O3 e Co-Al2O3CeO2. / Dissertação (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2015-08-12T12:22:44Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2015-08-12T12:22:44Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Planejar e gerenciar o desenvolvimento tecnológico são questões estratégicas para as organizações que desejam realizar processos de P&D. A elaboração de Planos Tecnológicos (PT) pode representar um desafio significativo de esforço e planejamento para essas organizações. Os problemas mais comuns são falhas nas previsões dos projetos sejam eles de novos produtos, serviços ou processos. Esse estudo tem por objetivo desenvolver uma metodologia para identificar, classificar e quantificar os fatores denominados alavancadores e desafiadores que possam estar presentes na elaboração do PT. Desenvolveu-se um protocolo para entrevista e coleta de dados em duas fases, aplicado aos envolvidos na elaboração do PT. Na Fase 1 considerou-se a metodologia de construção do PT vigente na unidade de análise. Para Fase 2, considerou-se a metodologia T-Plan na construção do Mapa Tecnológico. Os fatores investigados foram organizados em dimensões (planejamento, desenvolvimento e aplicação) que foram segmentados em variáveis de pesquisa (viabilidade, compromissos, comunicação, direcionadores, priorização, monitoramento, aprendizado, revalidação, aplicação e replicação) e, dependendo dos resultados, eles foram classificados em alavancadores ou desafiadores. O processo de elaboração do PT foi também avaliado com base em dois atributos: qualidade e satisfação. Nas duas fases, ambos foram avaliados segundo a percepção dos entrevistados. Para a Qualidade, a representação foi em 4 quadrantes, para indicar a presença e a formalidade evidenciando a existência da variável da pesquisa. Para a Satisfação foram avaliados estatisticamente considerando o valor médio e desvio padrão entre a condição atual e a desejada. Essa distancia caracterizou as oportunidades das mudanças. A unidade de análise foi o Centro de Célula a Combustível de Hidrogênio - CCCH, um departamento do Instituto de Pesquisa Energéticas e Nucleares do Brasil. A análise da Fase 1 considerou um PT elaborado anteriormente e da Fase 2 foi aplicado a metodologia T-Plan. Nessa segunda fase foi construído o Mapa Tecnológico para os próximos dez anos considerando direcionadores estratégicos, produtos, tecnologias e recursos necessários para realização do protótipo comercial até 2024 e assim viabilizar a inclusão da Célula a Combustível na Matriz Energética Nacional. Com as análises dos resultados das duas fases verificou-se: Fase 1: foram identificados como fatores Desafiadores: Direcionadores e Aplicação; como Fatores Potencial Desafiador: Viabilidade, Priorização, Monitoramento, Aprendizado e Revalidação; como fatores Potencial Alavancador: Replicação e como fatores Alavancadores: Compromisso e Comunicação. Fase 2: todos fatores foram classificados como Alavancadores: Viabilidade, Compromisso, Comunicação, Direcionadores, Priorização, Monitoramento, Aprendizado, Revalidação, Aplicação e Replicação. Concluiu-se que na metodologia T-Plan há uma sensível alteração da avaliação dos fatores Alavancadores e Desafiadores. O Mapa de Rotas Tecnológicas do CCCH, construído na Fase 2 indicou as seguintes rotas tecnológicas: 1) preparação de materiais e principais componentes do módulo; 2) partir da demanda do mercado para chegar aos novos produtos; 3) partir do desenvolvimento das tecnologias para chegar aos novos produtos; 4) desenvolvimento dos materiais para chegar aos produtos e atender aos drivers. Tais resultados sugerem concluir que a aplicação da metodologia do T-Plan não é só viável, mas até recomendável, no âmbito da elaboração de Planos Tecnológicos das Instituições de Pesquisa Pública. / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

O reator anaeróbio de leito fixo tem demonstrado viabilidade para produzir hidrogênio a partir de águas residuárias. No entanto, a liberação do biogás não tem sido contínua devido à diminuição constante da carga orgânica volumétrica específica (COVe) causada pelo acúmulo de biomassa no leito ao longo do tempo. A redução da COVe junto com o envelhecimento da biomassa tem sugerido o estabelecimento de microorganismos consumidores dos constituintes do biogás (H2/CO2) responsáveis por cessar a produção de hidrogênio. Neste trabalho, cinco estratégias foram propostas visando a produção de hidrogênio por longo prazo operacional e com estabilidade, mediante a fixação da COVe, as quais incluíram a alteração da estruturação do leito, inverter o escoamento, realizar descartes periódicos de biomassa e variar a carga orgânica volumétrica aplicada (COV) por meio da variação do tempo de detenção hidráulica (TDH) e da concentração do substrato. Os resultados demonstraram que a manutenção da COVe em um valor adequado permite a produção contínua de hidrogênio. A ordenação do leito, utilizando polietileno de baixa densidade e espuma, e o escoamento descendente favoreceram a diminuição do acúmulo de biomassa e junto com os descartes de biomassa foi possível manter a COVe em um valor estável próximo de 5 g sacarose g-1 SSV d-1. A produção volumétrica de hidrogênio (PVH) foi contínua com valor médio de 0,6 L H2 L-1 d-1 e rendimento (YH2) próximo a 0,5 mol H2 mol-1 sc. Por outro lado, o escoamento ascendente e os descartes de biomassa em reator de leito empacotado e ordenado atingiram uma PVH média de 2,2 ± 0,2 e 3,13 ± 0,07 L H2 L-1 d-1 quando a COVe foi mantida em 2,6 e 4,4 g sacarose g-1 SSV d-1, respectivamente. Por último a variação da COV permitiu manter a COVe entre 3,8 e 6,2 g sacarose g-1 SSV d-1, atingindo um YH2 médio de 2 mol H2 mol-1 sc e um incremento da PHV de 2,4 a 8,9 L H2 L-1 d-1 durante 60 dias consecutivos. Ainda que com resultados satisfatórios referentes à manutenção por longo período operacional e estabilidade na produção de hidrogênio, a supersaturação deste gás no meio líquido, devido a limitações de transferência de massa, foi a principal causa de perdas de hidrogênio neste tipo de reator. / Fixed-bed, anaerobic reactor has been shown to be feasible for hydrogen production from wastewater. However, biogas release has not been continuous due to the continuous specific organic load (SOL) decrease, which in turn is caused by biomass accumulation in the bed, through the time. SOL reduction and biomass ageing have indicated the establishment of the microorganisms that consumes the biogas constituents (H2/CO2) as the main cause for ceasing hydrogen production. In this work, five strategies were proposed aiming at obtaining longterm, stable hydrogen production by using SOL maintenance, modifications of the bed structure, flow inversion, periodic biomass discards and diverse organic load rates (OLR), as a function of the hydraulic retention time (HRT) and of the substrate concentration. Results demonstrated that by maintaining the SOL at proper values, continuous hydrogen production can be accomplished. On one hand, structuring the bed by using low-density polyethylene and foam, together with a down-flow and biomass discards were shown to diminish biomass accumulation, which led to keep a stable SOL value close to 5 g sucrose g-1 VSS d-1. Volumetric hydrogen production (VHP) was continuous with an average value of 0.6 L H2 L-1 d-1 and a yield (YH2) close to 0.5 mol H2 mol-1 sc. On the other hand, up-flow with biomass discharges, when implemented structured-bed and packed-bed reactors reached average VHP values of 2.2 ± 0.2 and 3.13 ± 0.07 L H2 L-1 d-1 as SOL was maintained between 2.6 and 4.4 g sucrose g-1 VSS d-1, respectively. Eventually, SOL was kept between 3.8 e 6.2 g sucrose g-1 VSS d-1 by varying the OLR, thus reaching an average YH2 value of 2 mol H2 mol-1 sc and a VHP increase from 2.4 to 8.9 L H2 L-1 d-1, along sixty consecutive days. As a consequence of mass-transfer limitations, oversaturation of hydrogen at the liquid medium was found as the main factor that causes hydrogen losses concerning fixed-bed reactors, even though the proposed strategies did indeed demonstrate long-term and stable hydrogen production.