ADSORPCYJNA REDUKCJA EMISJI AMONIAKU MODEL MATEMATYCZNY DLA KORY SOSNOWEJ 1

Transkrypt

1 Problemy Inżynierii Rolniczej nr 3/2010 Stefan Wieczorek Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach ŻOB Stacja Badawcza w Gdańsku ADSORPCYJNA REDUKCJA EMISJI AMONIAKU MODEL MATEMATYCZNY DLA KORY SOSNOWEJ 1 Streszczenie Wynikiem wykonanej pracy jest wytypowanie, spośród znanych biodegradowalnych adsorbentów pochodzenia roślinnego, najskuteczniejszego z nich, jako materiału filtracyjnego w procesie adsorpcyjnego oczyszczania powietrza z amoniaku (głównego zanieczyszczenia gazowego z procesu produkcji zwierzęcej) oraz opracowanie i statystyczne zweryfikowanie modelu matematycznego, umożliwiającego obliczenie ilości kory sosnowej niezbędnej do wyizolowania amoniaku w opracowanej metodzie. Wyznaczony model matematyczny precyzyjnie odzwierciedla przebieg procesu adsorpcji w całym zakresie danych empirycznych oraz uwzględnia wpływ takich parametrów, jak: wysokość złoża adsorpcyjnego i stopień jego rozdrobnienia, powierzchnia przekroju poprzecznego adsorbera, objętościowe natężenie przepływu amoniaku i jego stężenie w zanieczyszczonym powietrzu. Słowa kluczowe: produkcja zwierzęca, obiekt inwentarski, amoniak, adsorpcja, kora sosnowa, model matematyczny Wstęp Emisja amoniaku w Polsce, odnoszona do kontrolnego roku 2010, utrzymuje się na nieznacznie niższym poziomie niż wynikałoby to z naszych międzynarodowych zobowiązań [Stan 2003]. Przyczyną tak korzystnych zmian nie jest jednak stosowanie w rolnictwie podstawowym źródle emisji amoniaku najlepszych dostępnych technologii (BAT), ale głównie rynkowe przemiany strukturalne w Polsce po 1989 r. Wspólnotowy program działania na rzecz ochrony środowiska stawia również cele nieprzekraczania miejscowych krytycznych obciążeń i poziomów, czyli wartości stężenia określonego zanieczyszczenia, które dany ekosystem jest w stanie przyjąć bez uszczerbku na swoim stanie i funkcjonowaniu. Wyniki badań przedstawione w niniejszym artykule zostały wygłoszone na XV Międzynarodowej Konferencji Naukowej Problemy intensyfikacji produkcji zwierzęcej z uwzględnieniem ochrony środowiska i przepisów UE r. w IBMER Warszawa. 111

2 Stefan Wieczorek W projekcie rezolucji w sprawie strategii tematycznej, dotyczącej zanieczyszczenia powietrza, Komisja Ochrony Środowiska Parlamentu Europejskiego podkreśla, że mimo, iż rolnictwo jest jednym z głównych źródeł skażeń powietrza powodowanych przez amoniak, to w sektorze tym obowiązują nieliczne wymogi w zakresie ograniczania emisji zanieczyszczeń [Sheridan i in. 2002]. Z powyższych względów za celowe uznano podjęcie pracy badawczej, dotyczącej zmniejszenia emisji amoniaku ze źródeł rolniczych, z wykorzystaniem procesu adsorpcji na biodegradowalnym adsorbencie organicznym. Podstawowym celem przedstawionych badań było opracowanie metody ograniczającej emisję amoniaku oraz wyznaczenie modelu matematycznego, opisującego zależności między podstawowymi parametrami procesu adsorpcji amoniaku z jego mieszaniny z powietrzem na wybranym, najkorzystniejszym pod względem skuteczności sorpcyjnej, biodegradowalnym materiale pochodzenia roślinnego. Założono, że zużyty materiał filtracyjny, po przekompostowaniu, znajdzie zastosowanie jako naturalny nawóz organiczny o dużej zawartości azotu. Metody badań Zgodnie z opracowanym programem badań, próbom wstępnym poddano 8 materiałów pochodzenia roślinnego, o zdolnościach adsorpcyjnych w stosunku do zanieczyszczeń gazowych, których możliwości sorpcji amoniaku nie zostały dotychczas ilościowo określone. Były to: słomy i plewy zbóż (pszenicy, żyta i owsa), siano oraz kora drewna iglastego i liściastego. Badania przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych i rzeczywistych, w obecności innych zanieczyszczeń gazowych w mieszaninie gazów znad powierzchni gnojowicy. Jako kryterium selekcji przyjęto ilość amoniaku zaadsorbowanego do chwili przebicia złoża adsorbentu, które zgodnie z danymi z literatury, określono jako moment, w którym stężenie C zanieczyszczenia po przejściu przez adsorbent wynosi 5% jego początkowej wartości C 0. Szczegółowy opis metod badań przedstawiono we wcześniejszych publikacjach autora [Wieczorek 2008a, b]. Wyniki badań i ich analiza Wyniki realizacji niżej wymienionych, podstawowych etapów badań zamieszczono we wcześniejszych publikacjach i prezentowano, w formie referatów, na międzynarodowych konferencjach naukowych. Wybór biodegradowalnego adsorbentu gazowego amoniaku [Wieczorek, Stężała 2005a]. Wyniki badań świadczą o zdecydowanej przewadze kory, jako najlepszego materiału adsorpcyjnego w stosunku do amoniaku obecnego w mieszaninie z powietrzem, szczególnie kory drewna iglastego, co jest również korzystne ze względu na dalsze wykorzystanie zużytego adsorbentu bogatego w N-NH 3 [Das i in. 2000; Davis i in. 1992; Varfolomeev, Rybinskaja 1994]. 112

3 Adsorpcyjna redukcja emisji amoniaku... Badania wpływu wysokości złoża kory h na efektywność adsorpcji amoniaku E A [Wieczorek, Stężała 2005b]. Z badań empirycznych i ich analizy statystycznej jednoznacznie wynika, że podstawowym czynnikiem wpływającym na efektywność adsorpcji amoniaku na korze jest czas jego kontaktu z powierzchnią sorbentu, skorelowany z wysokością złoża kory sosnowej. Badania wpływu stężenia amoniaku w gazowej mieszaninie wzorcowej oraz jej objętościowego natężenia przepływu przez złoże kory na efektywność adsorpcji [Wieczorek 2006, 2007]. Na podstawie równań regresji nieliniowej, wyznaczonych w wyniku badań laboratoryjnych, oszacowano wpływ objętościowego natężenia przepływu przez adsorbent fazy gazowej o różnym stężeniu badanego zanieczyszczenia na masę amoniaku zatrzymywaną na złożu kory do chwili jego przebicia t p. Badania adsorpcji amoniaku zawartego w mieszaninie gazów znad gnojowicy [Wieczorek 2009]. Wyniki pomiarów stężeń badanych gazów obecnych w warunkach rzeczywistych nad powierzchnią gnojowicy C 0 i po przejściu przez filtr adsorpcyjny ze złożem kory sosnowej C, świadczą jednoznacznie o: pełnej adsorpcji amoniaku (C = 0), dużej adsorpcji pary wodnej (C 0 > C) oraz nieadsorbowaniu się lub zaledwie śladowej adsorpcji (C C 0 ) ditlenku węgla (CO 2 ), tlenku diazotu (N 2 O) i metanu (CH 4 ). Analiza chemiczna kory po adsorpcji amoniaku [Wieczorek 2008b]. Wyniki analizy chemicznej kory sosnowej po adsorpcji amoniaku wskazują przede wszystkim na dwie pozytywne zmiany, w porównaniu z korą surową zmianę odczynu kwaśnego na obojętny i 6-krotne zwiększenie udziału azotu w suchej masie. Takie zmiany są szczególnie korzystne ze względu na przyjęte założenie docelowe wykorzystania zużytego adsorbentu jako nawozu organicznego (po procesie kompostowania). Model matematyczny adsorpcji amoniaku na korze sosnowej Dysponując zbiorem danych empirycznych uzyskanych z badań i wynikami analizy matematycznej, przedstawiono końcową postać modelu matematycznego, opisującego adsorpcję amoniaku na korze sosnowej, w postaci zależności czasu adsorpcji do chwili przebicia złoża t p [h] od zmiennej niezależnej x: gdzie: x 2 tp = 10, 30 (1) x + 0, 20 S h ρ kg kory d x =, h, ϑ C g NH 0 3 S powierzchnia przekroju poprzecznego złoża adsorpcyjnego [dm 2 ], h wysokość złoża kory [dm], 113

4 Stefan Wieczorek ρ d gęstość kory w stanie usypowym [kg m 3 ], ϑ objętościowe natężenie przepływu oczyszczanego powietrza [m 3 h 1 ], C 0 stężenie amoniaku w oczyszczanym powietrzu [g m 3 ]. W warunkach eksploatacyjnych, charakteryzujących się dużymi wartościami zmiennej niezależnej x, wynikającymi przede wszystkim ze stosowania dużych mas adsorbentu, szukaną zależność najlepiej odzwierciedla asymptota ukośna modelu szczegółowego (1), opisana równaniem (2): t p = 10,30 x 2,03 (2) Współczynnik kinetyczny wyznaczonego modelu jest stałą graniczną tej asymptoty i jednocześnie szukaną wartością efektywności adsorpcji amoniaku E A [g NH 3 kg 1 kory], jakiej można praktycznie oczekiwać, kończąc proces oczyszczania powietrza w chwili przebicia t p złoża. Modele matematyczne na tyle dokładnie opisują rzeczywistość, na ile uzyskane na ich podstawie wyniki są zbliżone do wartości uzyskanych empirycznie. W przypadku złoża kory o wysokości h 0,6 dm (x = 2,35) średnia, względna różnica między doświadczalnym, a obliczonym czasem przebicia wynosi 25,90%. Gdy masa kory jest większa (x = 3,36), ta różnica dla porównywalnych wartości ϑ 10 m 3 h 1 i C g m 3, wynosi już tylko 2,45%. Mimo, że model matematyczny sformułowano na podstawie analizy statystycznej zbioru danych pomiarowych, uzyskanych z badań laboratoryjnych, jego wyniki są zgodne z wynikami badań zrealizowanych w warunkach rzeczywistych adsorpcji amoniaku znad powierzchni gnojowicy na złożu kory sosnowej. Podsumowanie Rolnictwo jest głównym źródłem emisji amoniaku objętej międzynarodowymi zobowiązaniami nie tylko dotyczącymi kontrolowania jej wielkości i informowania o niej, ale przede wszystkim zmniejszenia stopnia skażenia atmosfery tym zanieczyszczeniem. Z uwagi na to, że emisja amoniaku jest nierozerwalnie związana z produkcją zwierzęcą i zanieczyszcza środowisko na wszystkich etapach chowu zwierząt, zaproponowanie uniwersalnej metody jej zmniejszenia jest nierealne. Wywiązanie się Polski z przyjętych zobowiązań międzynarodowych może gwarantować zintegrowanie proponowanych i zweryfikowanych w warunkach eksploatacyjnych metod, polecanych dla różnych obszarów działalności rolniczej. W pracy przedstawiono, uzyskany w warunkach normalnych, model matematyczny umożliwiający wyznaczenie efektywności adsorpcji amoniaku pochodzenia rolniczego na wytypowanym w badaniach adsorbencie korze sosnowej, która jest materiałem odpadowym przemysłu drzewnego, dostępnym, tanim i biodegradowalnym, co gwarantuje jej dalsze, racjonalne rolnicze zagospodarowanie. Optymalne zatrzymywanie zanieczyszczenia na złożu kory w filtrze adsorpcyjnym, charakteryzujące się najmocniejszym wiązaniem 114

5 Adsorpcyjna redukcja emisji amoniaku... azotu amoniakalnego z powierzchnią adsorbentu, zachodzi tylko do czasu przebicia złoża t p (C/C 0 0,05). Przedstawiony model matematyczny można uznać za poprawny, ponieważ uzyskane na jego podstawie wyniki nie różnią się zasadniczo od wyników wyznaczonych empirycznie. Gdy wartość zmiennej x jest duża, procesy adsorpcji amoniaku na korze opisuje model liniowy asymptota ukośna ogólnej postaci przedstawionego w pracy modelu matematycznego zbliżony do cytowanego w literaturze modelu Sziłowa [Paderewski 1999]. Wyniki pracy mogą być wykorzystane w praktyce do profesjonalnego projektowania filtrów adsorpcyjnych na podstawie parametrów opisujących wybrany obiekt produkcji zwierzęcej (obsada, gatunek zwierząt i system chowu). Zużyty adsorbent korę sosnową wraz z zatrzymanym na jej powierzchni amoniakiem z oczyszczanego powietrza można wykorzystać jako nawóz naturalny bogaty w łatwo przyswajalną formę azotu. Bibliografia Das K. C., Tollner E. W., Eiteman M. A Improving composting by control of the solid matrix structure. W: Proc. of the Conference on Y2K Composting in the Southeast. Tech. University Charlottesville. Virginia, s Davis C. L., Hinch S. A., Donkin C. J., Germishuizen P Changes in microbial population numbers during the composting of pine bark. Bioresource Technol. 1, s Paderewski M.L Procesy adsorpcyjne w inżynierii chemicznej. WNT. Warszawa Sheridan B., Curran T., Dodd V., Colligan J Biofiltration of odour and ammonia from a pig unit a pilot-scale study. Biosystems Eging. No. 82(4) s Stan środowiska w Polsce w latach IOŚ. Warszawa Varfolomeev L. A., Rybinskaja A. P Ob agroekologiceskoj suscosti pererabotki otchodov okorki drevesiny na organiceskie udobrenija. Izv. Vyssh. Zav. Les. Zh. 2, s Wieczorek S Badania skuteczności adsorpcji na korze drzewnej amoniaku emitowanego z obiektów produkcji zwierzęcej w funkcji jego intensywności przepływu. Problemy Inżynierii Rolniczej. Nr 4(54), s Wieczorek S Kinetika adsorpcji amijaka obrazowannowo obiektami żiwotnowodstwa. Sbornik naucznych trudow Rosijskaja Akademia Nauk. Kirow. T. 1, s Wieczorek S. 2008a. Assessing the influence of adsorbent bed (tree bark) parameters on the reduction of ammonia emission from animal husbandry. Polish Journal of Environmental Studies. 1, s

6 Stefan Wieczorek Wieczorek S. 2008b. Wykorzystanie biodegradowalnych adsorbentów do ograniczenia emisji amoniaku z obiektów produkcji zwierzęcej. Prace Naukowe IBMER. Nr 1(11), ss. 142 Wieczorek S Badania procesu adsorpcji amoniaku zawartego w mieszaninie gazów znad powierzchni gnojowicy. Problemy Inżynierii Rolniczej. Nr 1(63), s Wieczorek S., Stężała S. 2005a. Ocenka drewiesnoj kory kak adsorbentow gazowogo ammijaka. Sbornik naucznych trudow Rosijskaja Akademia Nauk. Kirow. T. 7, s Wieczorek S., Stężała S. 2005b. Badania wpływu wysokości złoża kory drzewnej na kinetykę adsorpcji gazowego amoniaku. Problemy Inżynierii Rolniczej. Nr 4(51), s ADSORPTIVE REDUCTION OF AMMONIA EMISSION MATHEMATICAL MODEL OF THE PINE BARK Summary The aim of study was to choose from among the known biodegradable adsorbents of plant origin, the most effective one, as a filtering material in the process of adsorptive air cleaning of ammonia the main gaseous pollutant generated in animal production. The result of research conducted has been developed and statistically verified mathematical model which enables to calculate the necessary amount of pine tree bark to remove ammonia by adsorption process. Developed model reflects in accurate way the adsorption process within whole range of empirical data and takes into account the impact of such static and kinematic parameters as the hight of adsorption layer, its degree of disintegration, the size of adsorbent surface, volumetric flow rate of ammonia and its concentration in polluted air. Key words: animal production, livestock objects, ammonia, adsorption, pine bark, mathematical model Recenzenci: prof. dr hab. Wacław Romaniuk prof. dr hab. Marian Wiercioch Praca wpłynęła do Redakcji: r. Adres do korespondencji: doc. dr hab. Stefan Wieczorek Instytut Technologiczno-Przyrodniczy ŻOB Stacja Badawcza w Gdańsku ul. Trakt Św. Wojciecha 293b, Gdańsk tel w. 27; s.wieczorek@itep.edu.pl 116