Синтетические соединения, которые все чаще используются в повседневных продуктах, таких как шампунь и моторное масло, попадают на свалки и перегружают биогаз, который производят эти свалки, обнаружили исследователи из Мичиганского университета.
Хотя сегодня это проблема, исследователи говорят, что это может быть возможностью получить больше энергии из свалочного газа.
Соединения, называемые «силоксанами», эффективно проводят тепло и взаимодействуют с водой, и поэтому их популярность в различных потребительских товарах возросла. Это означает, что все больше и больше силоксанов отправляются на вашу местную свалку.
Биогаз относится к горючим газам, которые синтезируются из различного биологического или органического сырья, такого как свалочный газ и очистные сооружения. В последние годы стало ясно, что силоксаны повреждают энергетическое оборудование, работающее на свалочном газе. Но исследователи говорят, что силоксаны можно использовать для производства большего количества энергии.
Команда UM провела первый химический анализ того, как силоксаны влияют на биогаз. Исследователи обнаружили, что силоксаны повышают реактивность биогаза, что приводит к более быстрому воспламенению в двигателях и выделению большего количества энергии. Но эти двигатели - как правило, газовые турбины, вырабатывающие энергию, и поршневые двигатели - могут быть повреждены силоксанами в биогазе.
«Силоксаны легко воспламеняются», - сказала Маргарет Вулдридж, профессор машиностроения Артура Ф. Турнау и директор программы Dow Sustainability Fellows Program в UM. «Они меняют химический состав биогаза как сумасшедшие. Вещь похожа на ракетное топливо, в буквальном смысле - безумно реактивная."
Силоксаны существенно изменяют «скорость пламени» биогаза, которая является мерой того, насколько быстро топливо сгорает и приводит в движение турбину или поршень.
Биогаз состоит в основном из метана. Газообразный метан встречается в природе, но он также образуется при разложении органических материалов на свалках вместе с водородом, монооксидом углерода и другими углеводородами. Метан является основным компонентом природного газа и биогаза, что делает их ценными источниками топлива и энергии, более чистыми, чем уголь.
В атмосфере, однако, метан особенно хорошо удерживает тепло, что усугубляет нашу проблему глобального потепления. В частности, метан является парниковым газом в 30 раз более эффективным, чем CO2. По данным Агентства по охране окружающей среды, на свалки твердых бытовых отходов приходится 14% всех выбросов метана, связанных с деятельностью человека, в США каждый год - это третий по величине источник после газовой и нефтяной промышленности и сельского хозяйства.
Это свойство стимулировало усилия по улавливанию метана со свалок и использованию его в качестве топлива вместо того, чтобы позволить ему бесконтрольно уходить.
Измерение «воспламеняемости»
В этом исследовании исследователи UM отдельно протестировали смеси водорода и монооксида углерода, содержащие два силоксана - триметилсиланол (TMSO) и гексаметилдисилоксан (HMDSO), - против смесей водорода и монооксида углерода без силоксанов.
В частности, исследователи подсчитали, сколько времени потребовалось для воспламенения каждой смеси. Топливо с более короткой задержкой воспламенения считается более воспламеняющимся или реактивным, а водород является одним из наиболее реактивных видов топлива, которое мы используем.
Водород и монооксид углерода с TMSO дали время задержки воспламенения, которое было на 37% меньше, чем в эталонном случае. А метан, насыщенный HMDSO, увеличил время задержки на 50% быстрее.
Результаты исследований UM опубликованы в последнем выпуске журнала Combustion and Flame. Исследователи надеются, что их работа прольет свет на то, как силоксаны изменяют характеристики двигателя при использовании в качестве топлива.
«Следовые концентрации силоксанов были известной проблемой при использовании биогаза, что приводило к образованию абразивных отложений кремнезема на компонентах двигателя», - говорит Рэйчел Швинд, докторант и соавтор исследования. «По этой причине большинство предыдущих исследований в этой области были сосредоточены на том, как удалить их из захваченного газа».
Использование силоксанов вместо их удаления
Наряду с проблемой, которую создают силоксаны, существует и потенциал. Вулдридж сказал, что силоксаны могут стать ключом к увеличению производства энергии из биогаза.
"Мы хотели бы иметь возможность использовать их в качестве источника энергии", сказала она.
Анализ химии горения - шаг в этом направлении.
«Это потенциально сведет на нет необходимость очистки или удаления во время обработки биогаза и снизит затраты», - сказал Швинд. «Если мы сможем сократить эти затраты, это приблизит биогаз к тому, чтобы стать действительно углеродно-нейтральным топливом. И если мы сможем сделать свалочный газ более привлекательным с экономической точки зрения вариантом, у операторов полигонов будет больше стимулов улавливать и использовать этот вредный парниковый газ».
Исследование проводилось при поддержке программы Министерства энергетики США по основным энергетическим наукам.