| dc.description.abstract | Global oppvarming forårsaket av menneskelige klimagassutslipp er den største utfordringen verden står ovenfor. Det er et enormt behov for videreutvikling av teknologien rettet mot reduksjon av disse utslippene. Fangst av CO2 med aminsolventer er teknologien som er kommet lengst med tanke på fullskalaimplementering av teknologi, men fortsatt er det viktig å utvikle nye solventer som er mer energibesparende, mer stabile, mindre miljøskadelige samt økonomisk gunstige.
Denne avhandlingen tar i hovedsak for seg utviklingen av nye imidazolbaserte solventsystemer for anvendelse innen CO2 gasseparasjon. Ut ifra en studie på mer enn 40 polyalkylimidazoler ble det funnet ut at 2,4,5-trimetylimidazol (2,4,5-MeIm) hadde en bedre CO2 absorpsjonskapasitet og syklisk kapasitet enn nesten alle aminer som har vært rapporter i tidligere studier, Skjema 1. Viskositeten, tettheten og væske-gass likevektene til imidazol-vann systemer ble bestemt. Ved å blande 2,4,5-MeIm med diaminer ble eksepsjonell absorpsjonskapasitet av sur gass oppnådd for både 1 M 2,4,5-MeIm + 3 M N-metylaminopropylamin (MAPA) og 1 M 2,4,5-MeIm + 3 M piperazin (PZ), Strukturer 3 i Skjema 1. Toksisiteten og degraderingstendensene til alkylerte imidazoler ble studert. Som en følge av lav oksidasjonsstabilitet for polyalkylerte imidazoler, ble 1-(3-aminopropyl)imidazol (APIm) testet. Innledende studier av APIm samt picolylaminer (Pic) utpekte disse strukturene som en lovende solventtype for CO2 fangst, Strukturer 4 og 5 i Skjema 1. I motsetning til fenylbaserte CO2-solventer danner ikke heterosykliske aromater utfellinger under prosessbetingelser. Enkel CO2 regenerering sammen med høy absorpsjonshastighet er unikt for heterosykliske aromater.
Kinetikk- og likevektsstudier ble utført på APIm, både med «stopped-flow» spektrofotometri samt NMR, for å videreutvikle den kjemiske forståelsen av diamin-CO2 reaksjon i vandige løsninger. Hastighet- og likevektskonstanter mellom de forskjellige komponentene ble bestemt sammen med tilhørende termodynamiske parametere. Reaksjonskinetikken til imidazol-MEA systemer ble undersøk, og studien viste at aminer i løsning reagerer uavhengig av hverandre.
Nye prediktive modeller for ioniske væsker ble utviklet, gjennom både eksperimentelle valideringer og teoretiske undersøkelser. En database bestående av beregnede egenskaper til mer enn 8 millioner ioniske ble laget. Som en del av det eksperimentelle arbeidet utført på imidazolium triazolater ble det oppdaget at disse hadde en veldig god evne til å oppløse cellulose, opptil 12 vekt% cellulose ble oppløst ved 20 °C. Nye ioniske væsker basert på triazolater kan derfor ha interessante anvendelser innen behandling av trevirke. | nb_NO |
| dc.description.abstract | Abstract
Global warming caused by anthropogenic greenhouse gases emissions is the greatest challenge the world is currently facing. Hence, there is an enormous demand for development of technology directed towards mitigation of these emissions and the capture of emitted gases for storage. CO2, one of the common greenhouse gases, is released as a final product in combustion. Although already present in the atmosphere before man, elevated atmospheric CO2 levels not only impact the global climate directly, but also leads to ocean acidification, coral deaths and disruption of oceanic chemistry. The high thermodynamic stability of CO2 makes is difficult to absorb the already released gas from the atmosphere. Hence, the most straight-forward method for capturing CO2 is directly from large emission sources, such as flue gas from coal and gas power plants. Here, the higher concentrations give more favorable capture conditions. Several technologies have been developed for flue gas capture. The absorption of CO2 with amine solvents is the most developed technology with respect to full-scale implementation. However, further improvement of solvent technology is still required to reduce energy demands, improve solvent stability, mitigate environmental impact and to ensure economic feasibility.
Imidazoles, five membered heterocycles, have been scarcely investigated as absorbents for CO2, due to the unfavorable capture properties of the imidazole ring. Some absorption of CO2 is obtained by the imidazole, but not much, owing to the weak basicity of the ring. As CO2 is a weak acid, a stronger base will be more reactive and improve absorption. A large number of alkylated imidazoles was synthesized, to tailor the CO2 capture properties.
Through an extensive screening trial, a model compounds, 2,4,5-trimethylimidazole, was discovered. The imidazole absorbs close to stochiometric amounts of CO2, even at low pressures, by selective precipitation of the imidazolium bicarbonate. The feasibility of the model compound, and a few other imidazoles, was examined by a series of methods, including degradation, corrosion, toxicity, viscosity, density and kinetic experiments. The imidazoles were also blended with other amines to study if promising behavior could be obtained. As a part of the blend study, it was discovered that aqueous 2,4,5-trimethylimidazole/piperazine could absorb up to 14% CO2 at low pressures and 40 °C, and readily release the CO2 upon mild heating. The thermal stability, corrosion and toxicity of the 2,4,5-trimethylimidazole was promising. However, some oxidation issues were observed during the evaluation. Further experiments of 2,4,5-trimethylimidazole systems with oxidation inhibitors are required before the absorbent may be used in an industrial system.
The promising behavior of the imidazole/amine systems led to the investigation of aminoimidazoles, which display highly favorable CO2 absorption capacity and kinetics. To address the degradation behavior observed for the imidazoles; pyridines functionalized with amines were investigated. These picolylamines possessed good absorption kinetics and very good CO2 release behavior upon heating, allowing for a high cyclic capacity of CO2. Picolylamines are especially promising absorbents for CO2 capture, warranting more thorough investigation. | nb_NO |
