Συγκέντρωση CO2 από βιοαέριο με χρήση διαχωρισμού με υδρίτες σε συνδυασμό με μετασχηματισμό του σε οργανική ύλη σε βιοαντιδραστήρα

Η παρούσα διπλωματική εργασία αναλύει μια καινοτόμο, ολοκληρωμένη προσέγγιση για τη διαχείριση του βιοαερίου. Συνδυάζει τον διαχωρισμό του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) μέσω της τεχνολογίας των υδριτών αερίων με τον μετασχηματισμό του σε οργανική ύλη. Στο πλαίσιο των τεχνολογιών Δέσμευσης και Αξιοποίησης Άνθρακα (CCU), η μελέτη επικεντρώνεται στην ποσοτική αποτίμηση της δέσμευσης του CO2, την κρυσταλλική δομή των υδριτών και τη βιολογική αξιοποίηση του στη συνέχεια από το μικροφύκος Chlorella vulgaris. Το πειραματικό μέρος της εργασίας εστιάζει στον προσδιορισμό των θερμοδυναμικών συνθηκών σχηματισμού και αποδόμησης (dissociation) υδριτών CO2 σε εργαστηριακό αυτόκλειστο. Μέσω της ανάλυσης του φακέλου φάσεων (phase envelope) και της εφαρμογής καταστατικών εξισώσεων πραγματικών αερίων, επιτεύχθηκε ακριβής ποσοτικός προσδιορισμός της δέσμευσης του CO2. Υπολογίστηκαν τα moles του CO2 σε τρία βασικά στάδια (αρχική φόρτωση, κατάσταση υγρού-αερίου και ισορροπία υδρίτη), επιβεβαιώνοντας ότι η τεχνολογία των υδριτών μπορεί να επιτύχει υψηλά ποσοστά δέσμευσης, τα οποία στην παρούσα μελέτη έφτασαν το 81,53% (Tallarou et al., 2024). Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε πείραμα δημιουργίας υδριτών από μείγμα αερίων διοξειδίου του άνθρακα και μεθανίου (CO2/CH4) σε αναλογία 70/30. Μέσω δειγματοληψίας κατά το αρχικό στάδιο και το στάδιο ισορροπίας των υδριτών, υπολογίστηκε το ποσοστό του διοξειδίου που μεταφέρθηκε στην υδατική φάση και τη φάση των υδριτών. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν την επιτυχή παραγωγή ενός αερίου πλούσιου σε μεθάνιο και φτωχού σε διοξείδιο, επιβεβαιώνοντας τη δυνατότητα της τεχνολογίας για τον αποτελεσματικό διαχωρισμό και τη δέσμευση του CO2 από μείγματα αερίων. Στο δεύτερο σκέλος, διερευνάται η βιομετατροπή του δεσμευμένου άνθρακα σε βιομάζα εντός φωτοβιοαντιδραστήρα. Το CO2 που ανακτάται από την αποδόμηση των υδριτών χρησιμοποιείται ως η κύρια πηγή άνθρακα για την καλλιέργεια της Chlorella vulgaris. Μέσα από επτά (7) διαφορετικές πειραματικές σειρές, προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες συνθήκες ανάπτυξης (φωτισμός, ανάδευση, γεωμετρία) και αναλύθηκε η επίδραση του εμπλουτισμού με CO2 στην κυτταρική πυκνότητα και την παραγωγή ξηράς βιομάζας. Επιπλέον, διερευνήθηκε η επίδραση υψηλότερης παροχής/εισπίεσης CO2, προκειμένου να αξιολογηθούν τα όρια τοξικότητας και οι αποδόσεις σε συνθήκες προσομοίωσης βιομηχανικής κλίμακας. Η μελέτη ολοκληρώνεται με έναν θεωρητικό υπολογισμό του δεσμευμένου άνθρακα, συσχετίζοντας τη μάζα CO2 που δεσμεύτηκε στον αντιδραστήρα υδριτών με την οργανική ύλη που παρήχθη. Η επιτυχής σύζευξη των δύο σταδίων προσφέρει ένα ολοκληρωμένο μοντέλο κυκλικής οικονομίας, αποδεικνύοντας ότι η τεχνολογία υδριτών αποτελεί μια αξιόλογη μέθοδο συγκέντρωσης CO2, η οποία, σε συνδυασμό με τη χρήση μικροφυκών, κλείνει αποτελεσματικά τον κύκλο του άνθρακα, μειώνοντας το περιβαλλοντικό αποτύπωμα των βιομηχανικών διεργασιών.