A Performance and Kinetic Study of PEI-Impregnated Mesoporous Silica Spheres for Low-Temperature Carbon Capture.

Abstract

Karbon-fangst av røykgass er en av de mest lovende teknologiene for å bekjempe de alltid økende utslippene av drivhusgasser. Adsorpsjon av CO2 fra røykgass ved bruk av effektive solide sorbenter har vist mange fordeler, og I denne oppgaven har amin modifiserte mesoporøse silika sfærer (MSS) blitt undersøkt. Målinger av CO2 adsorpsjon på polyethylenimine (PEI) impregnerte MSS ble utført med termisk gravimetri for å undersøke effekten av (i) de fysiske egenskaper til MSS, (ii) PEI-mengde, (iii) silika beskyttelsesbelegg, (iv) ulike partialtrykk av CO2 og (v) adsorpsjon/desorpsjons temperaturer.

MSS ble impregnert med PEI ved bruk av våt-impregnerings metoden, og forslag til metoder for silika belegg ved bruk av silikater som reaktanter ble foreslått. Målinger av de fysiske egenskapene til MSS sorbenter ble utført med fysikalsk adsorpsjon av nitrogen, og resultatene viste relativt små overflatearealer og porevolum av MSS prøvene sammenlignet med andre mesoporøse silika materialer som finnes på markedet. Det største oppnådde overflatearealet var på 137 m2/g med et porevolum på 0,51 cm3/g. Imidlertid viste alle sorbentene rask adsorpsjonskinetikk, og var i stand til å regenerere i 100% N2 gas. I 5% CO2 gass, viste MSS den høyeste CO2-adsorpsjonkapasitenen på 2,21 mmol/g ved 75 °C med en PEI-mengde på 40 vekt%. CO2-adsorpsjonkapasitenen resulterte i en relativt lav amineffektivitet på 0,121 mmol CO2/2 mmol N.

Sorbentene viste ekstremt god syklisk adsorpsjon/desorpsjonsstabilitet, der ingen av sorbentene mistet mer enn 2% av sin CO2-adsorpsjonskapasitet etter 9 sykluser. For adsorpsjon og desorpsjon med temperatursvingninger (70 °C / 120 °C), oppnådde den mest stabile sorbenten 95,5% av sin CO2-adsorpsjonskapasitet etter 9 sykluser. To forslag til metoder for silica belegg ble testet for å gjøre sorbentene mer robuste for adsorpsjon og desorpsjon med temperatursving. Belegningsmetodene forbedret imidlertid ikke sorbentenes stabilitet.

Kinetikkstudien demonstrerte den raskeste adsorpsjons raten ved høyere CO2 partialtrykk på grunn av en høyere drivkraft, og med en temperatur på 75 °C på grunn av en lavere diffusjonsbegrensning. En lavere PEI-mengde resulterte også i raskere adsorpsjonskinetikk. Eksperimentelle CO2 adsorpsjonsdata ble analysert av 5 forskjellige kinetikk modeller for adsorpsjon. Modellenes evne til tilpassingen ble undersøkt, og det ble funnet ut at den fraksjons-order kinetiske modellen var i best overensstemmelse med den eksperimentelle adsorpsjonen av CO2. Dette ble validert ved høy korrelasjonskoeffisient og lav rot-middelkvadrat feil, i tillegg til en lav gjennomsnittlig absolutt avviksprosent mellom den modellerte modellen og det eksperimentelle CO2 opptaket for forskjellige fysiske egenskaper til MSS, PEI-mengde, adsorpsjonstemperaturer of partialtrykk av CO2.

Post-combustion carbon capture is one of the most promising technologies to combat ever-increasing greenhouse gas emissions. Adsorption of CO2 from flue gas using high-efficiency solid sorbents have demonstrated many advantages, and in this work, amine-modified mesoporous silica spheres (MSS) has been investigated. CO2 adsorption measurements of MSS impregnated with polyethylenimine (PEI) were conducted by thermal gravimetry in order to investigate the effect of (i) physical properties of support, (ii) PEI loading, (iii) silica coating, (iv) CO2 partial pressure and (v) adsorption/desorption temperatures.

The modification of MSS with PEI was achieved by the wet impregnation method, and a suggestion for silica coating method using silicate as a precursor was proposed. The physical properties of the MSS sorbents were characterised by nitrogen physisorption. MSS showed relatively small surface areas and pore volumes of the support compared to other mesoporous silica support on the market. The largest surface area achieved was 137 m2/g with a pore volume of 0.51 cm3/g. However, all sorbents showed fast adsorption kinetics and were able to regenerate in pure N2. In 5% CO2 gas, the PEI inside the pores exhibited the highest CO2 adsorption capacity of 2.21 mmol/g at 75 °C with a 40 wt% PEI loading. The CO2 adsorption capacity resulted in a relatively low amine efficiency of 0.121 mmol CO2/ 2 mmol N.

The sorbents showed excellent cyclic adsorption/desorption stability where no sorbent lost more than 2% of its CO2 adsorption capacity after nine cycles. For temperature swing adsorption/desorption (75 °C /120°C), the most stable sorbent achieved 95.5% of its CO2 uptake after 9 cycles. Two silica coating methods were proposed and tested in order to make the sorbets more robust for temperature swing adsorption/desorption. However, the coating methods did not improve the stability of the sorbents.

The kinetic study demonstrated the fastest adsorption rate at higher CO2 partial pressure due to a higher driving force, and with a temperature at 75 °C due to a lower diffusion limitation. Also, a lower PEI loading resulted in faster adsorption kinetics. Experimental CO2 adsorption data were analysed by five different adsorption kinetic models. Adequacy of the models was investigated, and the fractional-order kinetic model showed the overall best agreement with the experimental CO2 adsorption on PEI impregnated MSS. A high correlation coefficient validated the proper agreement, in addition to, a low root mean square error and a low average absolute deviation percentage between the predicted model and experimental CO2 uptake with different physical properties of support, PEI loadings, adsorption temperatures and CO2 partial pressures.