| dc.description.abstract | Utslipp av CO2 grunnet menneskelig aktivitet er en av de største utfordringene verden står ovenfor i dag. Denne masteroppgaven er en del av et prosjekt hvor en MBCL (Moving Bed Carbonate Looping)-reaktor har blitt utviklet. I teknologien brukes CaO-baserte sorbenter til å fange CO2 ved høy temperaturer. Sorbentene sirkulerer mellom to reaktorer hvor de er kontinuerlig er utsatt for sykluser av karbonatisering og regenerering, og bør derfor klare å holde seg stabile over lengre tid
Tidligere forskning har funnet dolomitt (CaCO3*MgCO3) til å være et godt valg av sorbent. Desverre blir dolomitt utsatt for deaktivering etter sykluser. Dette skyldes i hovedsak sintering og slitasje av materialet. Grunnet slitasje, bør det lages pellets med god mekanisk styrke – dette kan oppnås ved å bruke et bindemiddel. Sintering kan bli redusert ved å bruke en stabilisator. ZrO2, CeO2 og sement har i tidligere forskning vist seg å være et godt valg for å forbedre CaO-baserte sorbenter. Hovedformålet med denne oppgaven vært å finne den optimale kombinasjonen av dolomitt, stabilisator og binnemiddel. Både ZrO2 og CeO2 har blitt testet som stabilisator. Sement har blitt tilsatt med hensikt å virke som både stabilisator og bindemiddel.
Videre var det ønskelig å lage sorbenter som det vil være lett for industrien å produsere. For å oppnå dette ble «one-pot»-metoden brukt. I motsetning til typiske syntetiseringsmetoder var det ingen kalsinering mellom tilsetting av de forskjellige stoffene til dolomitt. Tilsetninger av stoffer ble undersøkt på to ulike måter; enten var alle stoffene blandet samtidig (et-stegs metoden) eller så var sement tilsatt etter impregnering (to-stegs metoden). Det ble funnet at sorbenter laget med to-stegs metoden klarte å fange mer CO2 og ga en noe bedre stabilitet. Trolig var dette grunnet bedre spredning av ZrO2 i sorbenten, som ble oppdaget gjennom kartlegging av elementer.
Den sykliske stabiliteten til sorbentene var testet både i våte og tørre reaksjonsbetingelser i termogravimetriske analysatorer. Våte reaksjonsbetingelser vil si at det er vanndamp til stedet i karboneringen. I disse betingelsene var det også høyere temperatur og partialtrykk av $\ch{CO2}$-betingelser mer likt de som er i reelle prosesser. I tillegg var to sorbenter testet i en «microbalance fixed bed»-reaktor, hvor enda mer reelle reaksjonsbetingelser er mulig. De modifiserte sorbentene klarte å holde seg stabile gjennom flere sykluser under alle betingelsene.
Det ble funnet at en økt mengde av både sement of ZrO2 reduserte kapasiteten til å fange CO2, men økte stabiliteten. Dette ble begrunnet med formasjonen av to stabiliserende faser; CaZrO3 og Ca12Al14O33. CeO2 påvirket ikke stabiliteten i de testede reaksjonsbetingelsene. Den beste sorbenten ble funnet til å være 2Sa(5.5Zr,10Al), som besto av 5.5 wt% Zirkonium og 10 wt% Aluminium fra sement. Sorbenten hadde et kapasitetstap på 15.7 % fra syklus 3-60 i våte reaksjonsbetingelser.
Sorbentene var karakterisert gjennom X-ray diffraksjon (XRD), Skanning elektron mikroskopi (SEM) og Nitrogen adsorpsjon-desorpsjon, både før og etter syklisk testing. Ingen merkbare forskjeller ble funnet gjennom XRD. Derimot ble det observert en liten forskjell i pore-strukturen gjennom de to andre teknikkene. Dette var trolig grunnet en hvis grad av sintering. Det ble funnet at for å videre redusere deaktiveringen i sorbentene, bør pore-strukturen forbedres. | |
| dc.description.abstract | The release of CO2 by human activity into the atmosphere is one of the main challenges the world is facing today. This master thesis is a part of a project where a Moving Bed Carbonate Looping (MBCL) technology has been developed. In the technology, CaO-based sorbents are used to capture CO2 at high temperatures. While circulating between two reactors, the sorbents are continuously exposed to cyclic carbonation-regeneration and should, therefore, stay stable for a long time.
Previous research has found dolomite (CaCO3*MgCO3) to be a good choice as a CaO-based sorbent. However, the sorbents suffer from deactivation through cycles, mainly attributed to sintering and attrition. Pellets with mechanical strength should be made to reduce attrition, and for this, a suitable binder is required. Sintering can be reduced using a stabilizer. Based on earlier research, the main objective of this project was to find the optimal combination of two additives; ZrO2 or CeO2 expected to work as a stabilizer, and cement to work as both a stabilizer and a binder.
Furthermore, it was intended to prepare sorbents for an easy industrial-scale up the "one-pot method" was applied - hence mixing everything at once. However, adding the additives was explored in two different sequences: mixing all compounds at once (one-step method) or adding cement after impregnation (two-step method). It was found that preparing the sorbents by the two-step method gave higher capturing capacity and slightly better stability. This was attributed to the better dispersion of ZrO2, detected from Energy Dispersive X-ray Spectroscopy.
The sorbents cyclic stability was tested in both dry and wet conditions in Thermogravimetric analyzers. Wet conditions refer to steam present during the carbonation. In addition, a higher temperature and partial pressure of $\ch{CO2}$ were applied - conditions closer to reality. Also, two sorbents were tested in a microbalance fixed bed reactor - where it is possible to test in even more realistic conditions. The modified sorbents were able to keep stable over several cycles in all the set-ups.
It was found that a higher amount of both cement and ZrO2 reduced the capturing capacity but increased the stability. This was attributed to the formation of the two stabilizing phases CaZrO3 and Ca12Al14O33 CeO2 did not improve the stability of the sorbents in the studied conditions. The best sorbent was found to be 2S(5.5Zr,10Al), consisting of 5.5 wt% Zirconium and 10 wt% Aluminium from cement. The sorbent had a capacity loss of 15. 7 % from cycle 3-60 in wet conditions.
Sorbents were characterized through X-ray diffraction (XRD), Scanning electron microscopy (SEM), and Nitrogen-adsorption desorption, both before and after testing the cyclic stability. No significant changes were observed through XRD. In the two other techniques, small changes in the pore-structure were revealed, which was attributed to being due to sintering. It was found that, in order to reduce the deactivation of the sorbents further, the pore-structure of the sorbents should be improved. | |
