Desenvolvimento e caracterização de um reator UV para abatimento de siloxanos presentes no biogás

Abstract

Siloxanos são moléculas oligoméricas compostas por átomos de silício e oxigênio alternados, amplamente utilizadas em produtos de higiene e limpeza. Esses compostos inevitavelmente acabam em aterros sanitários destinados ao descarte de resíduos sólidos urbanos. As formas mais voláteis, contendo até seis átomos de silício, podem estar presentes no biogás gerado nos aterros em concentrações que chegam a 400 mg/m³. Em aterros onde o biogás é utilizado para geração de energia elétrica por motores de combustão interna, concentrações superiores a 5 mg/m³ causam problemas operacionais graves devido à formação de depósitos de dióxido de silício. Este trabalho investiga a aplicação da fotólise UV-C como uma abordagem inovadora para reduzir a concentração desses contaminantes a níveis aceitáveis para sistemas de combustão. Foi desenvolvida uma bancada experimental com um reator de geometria semelhante a um trocador de calor casco e tubos, com carcaça de 65,4 mm de diâmetro interno e 300 mm de comprimento, contendo seis lâmpadas UV-C de 16 mm de diâmetro. Os experimentos avaliaram o impacto de variáveis operacionais, como tempo espacial (18 a 185 s), potência luminosa (14 a 84 W), concentração inicial de siloxanos (10 a 45 ppmv) e concentração de oxigênio (1 e 2%). Os resultados demonstraram a eficiência do método, com conversões superiores a 80% em condições adequadas e uma ordem de reação próxima de 1. Além disso, a técnica mostrou-se eficaz na remoção de outros contaminantes, como sulfeto de hidrogênio, apresentando conversões semelhantes. A caracterização do reator incluiu a formulação de um modelo simplificado para prever a conversão, que mostrou bom ajuste aos dados experimentais, fornecendo diretrizes para futuros estudos de escalonamento. Este estudo reforça o potencial da fotólise UV-C como uma solução viável para a purificação de biogás, destacando a importância de equilibrar parâmetros operacionais críticos para alcançar uma eficiência adequada do sistema.

Abstract: Siloxanes are oligomeric molecules composed of alternating silicon and oxygen atoms, widely used in hygiene and cleaning products. These compounds inevitably end up in landfills designed for the disposal of municipal solid waste. The more volatile forms, containing up to six silicon atoms, may be present in the biogas generated in landfills at concentrations as high as 400 mg/m³. In landfills where biogas is used for electricity generation through internal combustion engines, concentrations exceeding 5 mg/m³ cause severe operational issues due to the formation of silicon dioxide deposits. This work investigates the application of UV-C photolysis as an innovative approach to reducing the concentration of these contaminants to levels acceptable for combustion systems. An experimental setup was developed, featuring a reactor with a geometry similar to a shell-and-tube heat exchanger, with a shell diameter of 65.4 mm and a length of 300 mm, housing six UV-C lamps with a diameter of 16 mm. The experiments evaluated the impact of operational variables, such as space time (18 to 185 s), light intensity (14 to 84 W), initial siloxane concentration (10 to 45 ppmv), and oxygen concentration (1 and 2%). The results demonstrated the method?s efficiency, achieving conversions above 80% under suitable conditions and a reaction order close to 1. Additionally, the technique proved effective in removing other contaminants, such as hydrogen sulfide, with similar conversion rates. The reactor characterization included the formulation of a simplified model to predict conversion, which showed a good fit to the experimental data and provided guidelines for future scale-up studies. This study highlights the potential of UV-C photolysis as a viable solution for biogas purification, emphasizing the importance of balancing critical operational parameters to achieve adequate system efficiency.