Upscaling of Hybrid Facilitated Transport Membranes for Onboard Carbon Capture

Abstract

Denne studien undersøker påvirkningen av dampsveip på CO2/N2 separasjonsytelsen til hybrid-tilrettelagte transportmembranmoduler i pre-pilotskala for karbonfangst ombord på skip. Det ubestridelige omfanget og betydningen av skipsfartsindustrien er tydelig i innvirkningen den har på global økonomisk vekst og miljøfotavtrykk. Arbeidet med å forbedre drivstoffeffektiviteten eller overgangen til drivstoff uten karbonutslipp, gir ikke ønsket effekt eller er for kostbart på kort sikt. Lagring av karbonfangst ombord tilbyr en løsning som kan ettermonteres med høy effekt. Dette kan redusere avstanden til målene, mens karbonfri drivstoffteknologi modnes og bli mer kostnadskonkurransedyktig. Det unike settet med utfordringer og muligheter som finnes i denne applikasjonen støtter implementeringen av membranbaserte systemer over de ofte foreslåtte aminbaserte løsemiddelkontaktorene. Basert på kapitaliseringspotensialet til overflødig varme på disse skipene, vurderte denne studien separasjonsytelsen til sterisk hindret poly(allylamin)(SHPAA)-baserte hybridmembraner, impregnert med kaliumprolinat (ProK) mobile bærere og porøse grafenoksid (pGO) nanofyllstoffer. Testing ble utført mot 10% CO2 i N2 under både inertgass og vakuumdampsveip ved varierende trykk. Denne studien rapporterer om membranytelsesatferd basert på CO2/N2 selektivitet, CO2 og N2 fluks, samt CO2 gjenvinning og renhet. Det ble funnet at bruken av vakuumdamp som sveipegass effektivt eliminerte problemer med håndtering av membranvann. Dette tillater drift under høyt vakuum (0.4 bar(a)) uten bekymring for dehydrering av det selektive laget, noe som kommer tydelig frem av den økte CO2-fluksen sammenliknet med inertgassdrift ved ekvivalente trykk. Det gir samtidig fordelen av å ha en lett kondenserbar sveipegass, noe som forenkler separering av fanget CO2 før midlertidig lagring ombord. Driftsutfordringene som ble møtt under eksperimentering fremhevet viktigheten av kondenshåndtering, og bruk av strømningskontrolltiltak som kan motstå drift ved høye temperaturer. Videre vil fremtidige studier dra nytte av prosessimuleringer med ytterligere spesifisering i røykgassforhold, og lagringsløsninger gitt variasjonene i skipsfartøyets skalaer og driftsbegrensninger grunnet lagringsvalg.

This study investigates the influence of steam sweep on the CO2/N2 separation performance of pre-pilot scale hybrid facilitated transport membrane modules for onboard carbon capture. The undeniable scale and significance of the shipping industry is evident in both its impact on global economic growth and environmental footprint. Efforts to improve fuel efficiency or transitioning to carbon emission free fuels either fall short of delivering the desired impact or are too costly in the short term. Onboard carbon capture storage offers a high impact, retrofit-able solution that can bridge the gap while carbon free fuel technology continues to mature and become more cost competitive. The unique set of challenges and opportunities present in this application supports the implementation of membrane based systems over the widely proposed amine based solvent contactors. Based on the capitalization potential of excess heat on these vessels, this study assessed the separation performance of sterically hindered poly(allylamine)(SHPAA) based hybrid membranes, impregnated with potassium prolinate (ProK) mobile carriers and porous graphene oxide (pGO) nanofillers. Testing was conducted against 10% CO2 in N2 under both inert gas and vacuum steam sweep operation at varying pressures. This study reports on membrane performance behaviour based on CO2/N2 selectivity, CO2 and N2 flux, as well as the CO2 recovery and purity. It was found that the use of vacuum steam as a sweep gas effectively eliminated membrane water management issues. Allowing for operation under high vacuum suction (<0.4 bar(a)) with no concern over selective layer dehydration. As evident by an increase in CO2 flux in comparison to inert gas operation at equivalent pressures. Simultaneously, it provides the benefit of having a readily condensable sweep gas, simplifying separation of captured CO2 prior to temporary storage onboard. The operating challenges encountered during experimentation highlighted the importance of condensation management and utilization of flow control measures capable of withstanding high temperature operations. Furthermore, future studies would benefit from process simulations with further specificity in flue gas conditions and storage solutions given the variations in shipping vessel scales and operating limitations imposed by storage selection.