基于本地材料的户用沼气多级提纯系统：硫化氢、二氧化碳及水分去除技术研究

《Biomass and Bioenergy》：A multi-stage biogas upgrading system for household applications: Removal of hydrogen sulfide, carbon dioxide, and moisture using Locally Sourced materials

本综述提出了一种基于本地材料的低成本户用沼气多级提纯系统，通过涂覆氯化铁/氢氧化钠的粘土颗粒去除H2S、石灰水洗涤降低CO2浓度、红木炭吸附水分的三重净化策略，显著提升沼气品质。该系统在保持甲烷浓度损失低于1%的前提下，将H2S从100 ppm降至1.67 ppm非腐蚀水平，为农村家庭提供了区别于PSA（变压吸附）等昂贵技术的可行替代方案。

　　

Highlight

本研究的亮点在于开发了一种适用于家庭场景的低成本多级沼气净化系统。该系统创新性地采用本地易得材料——涂覆氯化铁（FeCl₃）和氢氧化钠（NaOH）溶液的粘土颗粒、石灰水以及红木炭，分别针对沼气中的三大"顽固分子"：具有腐蚀性的硫化氢（H₂S）、拉低热值的二氧化碳（CO₂）以及可能导致管道冷凝的水汽。实验证明，该系统能高效地将H₂S浓度降至安全水平，并有效控制水分，同时部分去除CO₂，而甲烷（CH₄）的损失微乎其微（仅0.5-1%）。与需要高昂成本和复杂操作的商业技术（如PSA或膜分离）相比，这套"接地气"的方案为小规模农村家庭打开了安全使用沼气的大门。

Result of hydrogen sulfide removal from biogas using solid adsorbents

这项研究聚焦于使用小型实验装置从沼气中去除硫化氢（H₂S）气体，实验流速控制在每分钟0.1升，以模拟低压（低于1 psi）的家庭沼气产气条件。我们对比测试了三种吸附剂：涂覆FeCl₃和NaOH溶液的粘土颗粒、涂覆相同溶液的沙子以及钢丝绒。结果发现，涂层粘土颗粒表现最为出色，成功将初始浓度超过100 ppm的H₂S降至1.67 ppm，达到了家用电器可承受的非腐蚀性水平，堪称本阶段的"除硫明星"。

Conclusion

总而言之，本研究展示了采用涂层粘土颗粒、石灰水洗涤和红木炭的三级净化系统能够有效提升家庭用沼气的品质。涂层粘土颗粒在去除硫化氢（H₂S）方面效率最高，几乎将浓度降至可忽略不计的水平，从而大大降低了家用设备的腐蚀风险。浓度为10 g/L的石灰水在二氧化碳（CO₂）去除上达到了最佳效率（7.84%），但浓度过高反而会因碳酸钙（CaCO₃）沉淀和传质限制导致效率下降。在水分控制环节，红木炭展现出比压缩炭砖更优的吸附能力，其有效吸附时间可持续约110分钟，而后者约55分钟即达到饱和。整个实验过程中，甲烷（CH₄）浓度保持稳定，总损失仅为0.5-1%，可谓"代价极小，收益显著"。这套集成系统成功去除了H₂S、降低了水分、并部分去除了CO₂，增强了沼气的安全性和可用性。虽然商业技术（如PSA或膜分离）能提供高纯度甲烷，但其资本和运营成本也高昂。本系统为小规模农村家庭提供了一个更经济、更易实现的解决方案。研究结果凸显了使用简单、低成本材料的可行性及其局限性，未来的研究应侧重于动力学模型构建、CO₂洗涤优化以及吸附剂的长期再生能力，以增强系统的可扩展性和可靠性。