Optimizing hollow fiber membranes and membrane process for CO2 capture from shipping /maritime vessels in commercial applications

Abstract

Kontroll av koldioxidutsläpp och avskiljning av koldioxid har blivit en självklarhet sedan den globala uppvärmningen intensifierats. Många konventionella tekniker för Carbon capture and storage (CCS) har visat sig vara effektiva och tillförlitliga på land. Men med tanke på fartygens begränsade utrymme och de höga kostnaderna för eftermontering av konventionella CCS-metoder har membranseparationsteknik betraktats som ett alternativ.

I specialiseringsprojektet TKP4580 2021 utvecklades hålfibermembran av polysulfon (PSF) med hög CO2/N2-selektivitet för CO2-avskiljning från kommersiella tillämpningar inom sjöfart/maritima fartyg. Syftet med den här studien var att ytterligare optimera gasavskiljningsprestanda, särskilt CO2-permeansen hos hålfibermembran av PSF och hålfibermembran av poly(p-fenylenoxid) (PPO) för att passa driftförhållandena ombord.

Mekanismen för tvärbindning och steriskt hindrande modifikation bekräftades genom FT-IR-test. Hålfibermembranen uppvisar god termisk stabilitet under 150 °C i TGA-karakteriseringen. Analys med SEM blev utförd för att mäta tjockleken på det tunna selektiva skiktet och strukturegenskaperna hos ihåliga fiberstöd. Kontaktvinkelmätningen indikerar hydrofiliteten hos de ihåliga fiberhållarna. Den blandade polymeren har ett vattenupptag på 400 %.

Gasavskiljningsprestanda hos hålfibermembranen undersöktes genom experiment med blandad gaspermeation. Den optimala driftstemperaturen och det optimala trycket för matargasen för hålfibermembranen fastställdes till 25 °C respektive 1,5 bar. Genom att modificera det intermediære skiktet (beläggning med 0,05 wt% PVA-lösning) förbättrades CO2-permeansen med 56 % för hålfibermembran baserade på PPO (733 GPU) och 113 % för PSF-M-baserade hålfibermembran (32 GPU) i denna studie. Efter optimering har PPO-hålfibermembranet en CO2/N2-selektivitet på 24 och en CO2-permeans på 722 GPU. CO2/N2-selektiviteten för PSF-M hålfibermembran var 32 och CO2-permeansen 32 GPU. Två olika specialvarianter av CO2-separationsmembran erhålls i den här studien, vilka är lämpliga för olika tillämpningsscenarier.

CO2 emission control and carbon capture have become a consensus since the intensification of global warming. Many conventional Carbon capture and storage (CCS) techniques have been proven efficient and reliable on land. But given the limited space capacity on vessels and the high cost of retrofitting with conventional CCS methods, membrane separation technology has been considered as an alternative.

In Specialization Project TKP4580 2021, polysulfone (PSF) hollow fiber membranes with high CO2/N2 selectivity for CO2 capture from shipping / maritime vessels commercial applications were developed. This study aimed to further optimize the gas separation performance, especially CO2 permeance of PSF hollow fiber membranes and Poly (p-phenylene oxide) (PPO) hollow fiber membranes to suit the operation conditions onboard.

The crosslinking mechanism and sterically hindrance modification were confirmed by FT-IR test. Hollow fiber membranes exhibit good thermal stabilities under 150°C in TGA characterization. SEM was conducted to measure the thickness of thin selective layer and structure features of hollow fiber supports. The contact angle measurement reveals hydrophilicity of hollow fiber supports and mixed polymer has a water uptake of 400%.

The gas separation performance of hollow fiber membranes was investigated by mixed gas permeation experiments. The best operation temperature and feed gas pressure of hollow fiber membranes were determined to be 25°C and 1.5 bar respectively. By modification of gutter layer (0.05 wt% PVA solution coating), the CO2 permeance was improved 56% for PPO hollow fiber membrane (733 GPU) and 113% for PSF-M hollow fiber membrane (32 GPU) in this study. After optimization, PPO hollow fiber membrane has the CO2/N2 selectivity of 24 and the CO2 permeance of 722 GPU. The CO2/N2 selectivity of PSF-M hollow fiber membrane was 32 and the CO2 permeance was 32 GPU. Two different emphases of CO2 separation membranes are obtained in this study, which are suitable for different application scenarios.