H₂S in Biogas: Multi‑Stage Adsorption Design for <10 ppm Removal 😎⚙️
ไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H₂S) ไม่ได้เป็นเพียงก๊าซที่มีกลิ่นเหม็นในก๊าซชีวภาพ (Biogas) แต่เป็นตัวแปรสำคัญที่กระทบ ต้นทุนการเดินระบบ อายุอุปกรณ์ และความเสี่ยงในการหยุดการผลิต โดยตรง
ในระบบก๊าซชีวภาพที่มี H₂S ตั้งแต่ระดับหลักพันไปจนถึง ~10,000 ppm การทำให้ค่า H₂S ปลายทาง (output) ต่ำกว่า 10 ppm อย่าง “นิ่งและยั่งยืน” ไม่สามารถอาศัยสารดูดซับชนิดเดียวได้ แต่ต้องอาศัย การออกแบบระบบ (system thinking) ที่จัดบทบาทของสารกรอง/ดูดซับแต่ละชนิดให้เหมาะสม
Multi‑Stage Adsorption System เป็นแนวทางที่ใช้จริงในอุตสาหกรรม โดยผสานการใช้ Iron Oxide media (ส่วนมากอยู่ในรูป Extruded/Pellet) สำหรับการกำจัดขั้นต้น และ Impregnated Activated Carbon สำหรับการบำบัดขั้นสุดท้าย
H₂S ในก๊าซชีวภาพ
สำหรับการใช้งาน เช่น เครื่องยนต์ก๊าซ (gas engine), ระบบปรับปรุงคุณภาพก๊าซ (biogas upgrading), การผลิต biomethane หรือ fuel cell ระบบส่วนใหญ่กำหนดค่า H₂S ไม่เกิน 10 ppm และบางกรณีต่ำกว่า 1 ppm [4] หากควบคุมไม่ได้ จะนำไปสู่ค่าใช้จ่ายแฝงและ downtime ที่สูงกว่าที่คาดไว้มาก
ทำไม Activated Carbon แบบทั่วไปไม่เพียงพอสำหรับกำจัด H₂S
เมื่อใช้กับก๊าซชีวภาพที่มี H₂S ความเข้มข้นสูง (เช่น 5,000–10,000 ppm) จะพบปัญหา ได้แก่
- สารกรอง/ดูดซับอิ่มตัวเร็ว
- อายุการใช้งานสั้น
- ต้องเปลี่ยนสารกรอง/ดูดซับบ่อย
- ต้นทุนการดำเนินงานสูง
การดูดซับเชิงกายภาพยังมีความเสี่ยงต่อการ desorption เมื่ออุณหภูมิหรือความชื้นเปลี่ยนแปลง ส่งผลให้ต้นทุนการดำเนินงานสูงกว่าที่ประเมินไว้
คาร์บอนกัมมันต์เคลือบสารเคมี (Impregnated Activated Carbon): ใช้ให้ถูกที่ จะคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์
Impregnated Activated Carbon เป็นคาร์บอนที่เติมสารเคมี เช่น KOH หรือ NaOH เพื่อเพิ่มกลไก chemisorption งานวิจัยจำนวนมากยืนยันว่าให้ประสิทธิภาพสูงกว่าคาร์บอนทั่วไปหลายเท่า โดยเฉพาะในช่วง H₂S ต่ำ [6],[8]
อย่างไรก็ตาม สารกรอง/ดูดซับชนิดนี้ ไม่เหมาะสำหรับรับโหลด H₂S ปริมาณมากตั้งแต่ต้น หากใช้เป็นระบบขั้นเดียว จะเกิด breakthrough เร็วและมีค่าใช้จ่ายสูงในระยะยาว [9]
ในเชิงระบบ Impregnated Activated Carbon เหมาะที่สุดสำหรับบทบาท polishing stage หรือการเก็บรายละเอียดขั้นสุดท้ายให้ได้ตามมาตรฐาน
สารดูดซับเหล็กออกไซด์แบบอัดเม็ด (Iron Oxide Media): ตัวรับโหลด H₂S ปริมาณมาก
สารกรอง/ดูดซับที่ใช้เหล็กออกไซด์ (Iron Oxide) สามารถกำจัด H₂S ผ่านปฏิกิริยาเคมีโดยตรง เช่น
Fe₂O₃ + 3H₂S → Fe₂S₃ + 3H₂O
จากงานวิจัยและการใช้งานจริง Iron Oxide สามารถลด H₂S จากระดับหลายพัน ppm ลงมาอยู่ที่ประมาณ 100–300 ppm ได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ไม่เหมาะสำหรับการทำให้ค่าปลายทางต่ำกว่า 10 ppm เพียงลำพัง [11],[12]⚙️Multi‑Stage Adsorption System: เหตุผลที่อุตสาหกรรมเลือกใช้
แนวคิด Multi‑Stage Adsorption คือการแบ่งหน้าที่ของสารกรอง/ดูดซับตามความเหมาะสม [13]
Stage 1: Iron Oxide Media (Bulk Removal)
• H₂S ขาเข้า: สูงถึง ~10,000 ppm
• H₂S ขาออก: ~100–300 ppm
Stage 2: Impregnated Activated Carbon (Polishing)
• H₂S ขาเข้า: ~100–300 ppm
• H₂S ขาออก: <10 ppm
แนวทางนี้ช่วยลดต้นทุนรวม ยืดอายุการใช้งานของ carbon และเพิ่มความมั่นใจว่าระบบจะผ่านมาตรฐานในระยะยาว ซึ่งสอดคล้องกับงานวิจัยเชิงเทคนิคและการประเมินด้านเศรษฐศาสตร์ [14],[15]
💧 ตัวแปรสำคัญ : Kinetics, Moisture, O₂
• Impregnated Activated Carbon มี kinetics สูง เหมาะกับงาน polishing มากกว่างาน bulk [15]
• ความชื้นระดับปานกลางช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ แต่สูงเกินไปจะลด capacity (pore flooding) [8]
• O₂ ปริมาณจำกัดช่วยรักษาสภาวะ redox โดยเฉพาะใน Iron Oxide media แต่ต้องควบคุมอย่างเหมาะสมเพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบระยะยาว [12],[14]
♻️ Techno‑Economic Perspective
การประเมินเชิงเทคนิคและเศรษฐศาสตร์ชี้ชัดว่า [16],[17]:
• ใช้ Impregnated Activated Carbon อย่างเดียว → OPEX สูง
• ใช้ Iron Oxide อย่างเดียว → คุม <10 ppm ไม่เสถียร
• Multi‑Stage System → สมดุลที่สุดทั้งด้านต้นทุนและความเสถียร
🧠 สรุปแบบ Aceken
การกำจัด H₂S ไม่ใช่การเลือก “สารกรองที่ดีที่สุด” แต่คือการออกแบบระบบที่เข้าใจบทบาทของสารกรองและเทคโนโลยีอย่างถูกต้อง.
Iron‑based media ทำหน้าที่รับโหลดกำมะถันจำนวนมาก (bulk removal) ขณะที่ Impregnated Activated Carbon ทำหน้าที่เก็บรายละเอียดขั้นสุดท้าย (polishing) เมื่อทำงานร่วมกันในระบบหลายขั้น จะได้ทั้งความมั่นใจด้านเทคนิคและความคุ้มค่าทางธุรกิจ
นี่ไม่ใช่เทคนิคอย่างเดียว แต่คือวิธีคิดของวิศวกรที่ทำให้ระบบอยู่รอด และงบไม่บาน.
References
[1] E. Ryckebosch, M. Drouillon, H. Vervaeren,
Techniques for transformation of biogas to biomethane,
Biomass and Bioenergy 35 (2011) 1633–1645.
[2] Q. Sun, H. Li, J. Yan, L. Liu, Z. Yu, X. Yu,
Selection of appropriate biogas upgrading technology – A review of biogas cleaning, upgrading and utilisation,
Renewable and Sustainable Energy Reviews 51 (2015) 521–532.
[3] N. Abatzoglou, S. Boivin,
A review of biogas purification processes,
Biofuels, Bioproducts and Biorefining 3 (2009) 42–71.
[4] A. Petersson, A. Wellinger,
Biogas upgrading technologies – Developments and innovations,
IEA Bioenergy Task 37 (2009).
[5] R. Yan, T. Chin, D.T. Liang, H. Tay,
Adsorption of hydrogen sulfide onto activated carbon,
Carbon 42 (2004) 271–274.
[6] K.-D. Henning, S. Schäfer,
Impregnated activated carbon for environmental protection,
Gas Separation & Purification 7 (1993) 235–240.
[8] R. Sitthikhankaew, D. Chadwick, S. Assabumrungrat, N. Laosiripojana,
Effects of humidity, O₂, and CO₂ on hydrogen sulfide adsorption onto alkaline impregnated activated carbons,
Fuel Processing Technology 124 (2014) 249–257.
[9] J. Köchermann, J. Schneider, S. Matthischke, S. Rönsch,
Sorptive H₂S removal by impregnated activated carbons for the production of synthetic natural gas,
Fuel Processing Technology 138 (2015) 37–41.
[10] R. Sitthikhankaew, S. Predapitakkun, R. Kiattikomol, S. Assabumrungrat, N. Laosiripojana,
Comparative study of hydrogen sulfide adsorption by alkaline impregnated activated carbons for hot fuel gas purification,
Energy Procedia 9 (2011) 15–24.
[11] I.C. Bonatto, H.R. Becker, M.S. Matias, P. Belli Filho, A.B. de Castilhos Júnior,
Removal of hydrogen sulfide from biogas by adsorption with commercial activated carbon and granular iron oxide,
Engenharia Sanitária e Ambiental 29 (2024) e2023135.
[12] F. Stenlund,
Dissolved sulfide removal by reaction with iron oxides,
Independent Project, Department of Earth Sciences, Uppsala University (2024).
[13] M.D. Kaufman Rechulski, T.J. Schildhauer, S.M.A. Biollaz, C. Ludwig,
Sulfur-containing organic compounds in the raw producer gas of wood and grass gasification,
Fuel 128 (2014) 330–339.
[14] R. Sitthikhankaew, D. Chadwick, N. Laosiripojana, S. Assabumrungrat,
Investigation of impregnated activated carbon properties used in hydrogen sulfide fine removal,
Fuel Processing Technology 92 (2011) 1553–1560.
[15] Z. Li, M. Flytzani-Stephanopoulos,
Regenerable metal oxide sorbents for hot gas desulfurization,
Industrial & Engineering Chemistry Research 36 (1997) 187–196.
[16] J. Kwaśny, W. Balcerzak,
Sorbents used for biogas desulfurization in the adsorption process,
Polish Journal of Environmental Studies 25 (2016) 37–43.
[17] S. Rasi, J. Läntelä, J. Rintala,
Trace compounds affecting biogas energy utilisation – A review,
Energy Conversion and Management 52 (2011) 3369–3375.
