Facilitated CO2 separation membranes: mixing cyano and amino acid-based ionic liquids

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Folding of graphene slit like pore walls—a simple method of improving CO2 separation from mixtures with CH4 or N2

We report for the first time a detailed procedure for creating a simulation model of energetically stable, folded graphene-like pores and simulation results of CO2/CH4 and CO2/N2 separation using these structures. We show that folding of graphene structures is a very promising method to improve the separation of CO2 from mixtures with CH4 and N2. The separation properties of the analyzed materials are compared with carbon nanotubes having similar diameters or S/V ratio. The presented results have potential importance in the field of CO2 capture and sequestration.

Polymeric membranes for CO2 separation: effect of aging, humidity and facilitated transport

Polymeric membranes represent a promising technology for gas separation processes, thanks to low costs, reduced energy consumption and limited waste production. The present thesis aims at studying the transport properties of two membrane materials, suitable for CO2 purification applications. In the first part, a polyimide, Matrimid 5218, has been throughout investigated, with particular reference to the effect of thermal treatment, aging and the presence of water vapor in the gas transport process. Permeability measurements showed that thermal history affects relevantly the diffusion of gas molecules across the membrane, influencing also the stability of the separation performances. Subsequently, the effect of water on Matrimid transport properties has been characterized for a wide set of incondensable penetrants. A monotonous reduction of permeability took place at increasing the water concentration within the polymer matrix, affecting the investigated gaseous species to the same extent, despite the different thermodynamic and kinetic features. In this view, a novel empirical model, based on the Free Volume Theory, has been proposed to qualitatively describe the phenomenon. Moreover, according to the accurate representation of the experimental data, the suggested approach has been combined with a more rigorous thermodynamic tool (NELF Model), allowing an exhaustive description of water influence on the single parameters contributing to the gas permeation across the membrane. In the second part, the study has focused on the synthesis and characterization of facilitated transport membranes, able to achieving outstanding separation performances thanks to the chemical enhancement of CO2 permeability. In particular, the transport properties have been investigated for high pressure CO2 separation applications and specific solutions have been proposed to solve stability issues, frequently arising under such severe conditions. Finally, the effect of different process parameters have been investigated, aiming at the identification of the optimal conditions capable to maximize the separation performance.

Carbon-supported ionic liquids as innovative adsorbents for CO2 separation from synthetic flue-gas

Fixed-bed thermodynamic CO2 adsorption tests were performed in model flue-gas onto Filtrasorb 400 and Nuchar RGC30 activated carbons (AC) functionalized with [Hmim][BF4] and [Emim][Gly] ionic liquids (IL). A comparative analysis of the CO2 capture results and N2 porosity characterization data evidenced that the use of [Hmim][BF4], a physical solvent for carbon dioxide, ended up into a worsening of the parent AC capture performance, due to a dominating pore blocking effect at all the operating temperatures. Conversely, the less sterically-hindered and amino acid-based [Emim][Gly] IL was effective in increasing the AC capture capacity at 353 K under milder impregnation conditions, the beneficial effect being attributed to both its chemical affinity towards CO2 and low pore volume reduction. The findings derived in this work outline interesting perspectives for the application of amino acid-based IL supported onto activated carbons for CO2 separation under post-combustion conditions, and future research efforts should be focused on the search for AC characterized by optimal pore size distribution and surface properties for IL functionalization.

Synthesis, Modification and Characterization of Polymeric Membranes for CO2 Separation

This doctorate focused on the development of dense polymeric membranes for carbon capture, mostly in post combustion applications, and for natural gas sweetening. The work was supported by the European Project NANOMEMC2 funded under H2020 program. Different materials have been investigated, that rely on two main transport mechanisms: the solution-diffusion and the facilitated transport. In both cases, proper nano-fillers have been added to the matrix, in order to boost the mechanical and permselective properties of the membranes. Facilitated transport membranes were based on the use of was polyvinylamine (PVAm), as main matrix with fixed-site carriers, and L-Arginine as mobile carrier; the filler, used mostly as reinforcer, was carboxymethylated nanocellulose (cNFC). Humid test showed interesting results, and especially the blend made of PVAm/cNFC/Arg in weight ratio 27,5/27,5/45 crossed the Robeson CO2/N2 upper bound, representing current state of the art membranes, with a CO2 permeability of 271 Barrer and CO2/N2 selectivity of 70. Solution diffusion membranes were based on Pebax®2533 matrix which was added with three different graphene oxide (GO)-based materials, namely pristine GO, Porous Graphene Oxide (PGO) and a GO functionalized with polyetheramine (PEAGO). All of them provided a modest but clear increment of permeability of the Pebax matrix, from plus 2% (GO) to plus 8% (PGO), with no change in selectivity. The gas tested with this type of composites were CO2 and N2, for Post combustion capture applications. Pebax®2533 was also chemically modified, obtaining the product called “Benzoyl-P2533”, that was fully characterized, and tested in term of permeation using five gas: CO2, N2, CH4, O2, and He. Modified material showed an increment of the overall permeability of the material of a fair 10% for all gases tested, apart from helium, that increased of almost 50%.

Analisys of gas permeability in perfluorosufonated polymeric membranes for CO2 separation

The present thesis focuses on the permebility analisys of Aquivion® 980 Perfluoro sulfonic acid (PFSA) polymer with particular reference to the influence of the equivalent weight (gram of polymer per molSO3H) on the permeation properties. Aquivion grade tested, indeed, were characterized by a lower equivalent weight ( 870 g/molSO3H against 980 of the present material) with respect to data present in the open literature. Permeability of different gases (CO2, N2, and CH4) was tested at different temperatures and different humidity, a parameter which greatly influences the gas transport in such hydrophilic material- Aquivion® swells consistently in humid conditions increasing its gas permeability of more than one order of magnitude with respect to values prevailing in dry conditions. Present data confirm such behavior being the permeability of all gases and vapors tested substantially increased in presence of water. Interestingly the increase in permeability results be similar for all the gases inspected, hence such enhanced permeation capability is not associated to a selectivity loss that happens in polymeric membranes. Although, the results, of CO2, are lower compared to those obtained with the different grades, with lower equivalent weight, of Aquivion, thus suggesting that an increase of this parameter is detrimental for both permeability and selectivity of the membranes with respect to CO2. This is likely related to the fact that a lower content of SO3H groups makes it difficult to have an interconnected water domain inside the membranes. A modeling approach was considered to describe the experimental data and to give a better insight into the observed behavior, unfortunately, it resulted not sensitive enough to catch the differences between the gas permeability in PSFAs with high and low equivalent weight. The latter were indeed usually contained within 10-20% which results to be the in the same range of model precision when used in a predictive way.

Beyond the H2/CO2 upper bound: one-step crystallization and separation of nano-sized ZIF-11 by centrifugation and its application in mixed matrix membranes

The synthesis of nano-sized ZIF-11 with an average size of 36 ± 6 nm is reported. This material has been named nano-zeolitic imidazolate framework-11 (nZIF-11). It has the same chemical composition and thermal stability and analogous H2 and CO2 adsorption properties to the conventional microcrystalline ZIF-11 (i.e. 1.9 ± 0.9 μm). nZIF-11 has been obtained following the centrifugation route, typically used for solid separation, as a fast new technique (pioneering for MOFs) for obtaining nanomaterials where the temperature, time and rotation speed can easily be controlled. Compared to the traditional synthesis consisting of stirring + separation, the reaction time was lowered from several hours to a few minutes when using this centrifugation synthesis technique. Employing the same reaction time (2, 5 or 10 min), micro-sized ZIF-11 was obtained using the traditional synthesis while nano-scale ZIF-11 was achieved only by using centrifugation synthesis. The small particle size obtained for nZIF-11 allowed the use of the wet MOF sample as a colloidal suspension stable in chloroform. This helped to prepare mixed matrix membranes (MMMs) by direct addition of the membrane polymer (polyimide Matrimid®) to the colloidal suspension, avoiding particle agglomeration resulting from drying. The MMMs were tested for H2/CO2 separation, improving the pure polymer membrane performance, with permeation values of 95.9 Barrer of H2 and a H2/CO2 separation selectivity of 4.4 at 35 °C. When measured at 200 °C, these values increased to 535 Barrer and 9.1.

Síntese, caracterização e modificação de superfícies de sílicas mesoporosas ordenadas para captura de CO2

Processos como a purificação do metano (CH4) e a produção de hidrogênio gasoso (H2) envolvem etapas de separação de CO2. Atualmente, etanolaminas como monoetanolamina (MEA), dietanolamina (DEA), metildietanolamina (MDEA) e trietanolamina (TEA) são as substâncias mais utilizadas no processo de separação/captura de CO2 em processos industriais. Entretanto, o uso destas substâncias apresenta alguns inconvenientes devido à alta volatilidade, dificuldade de se trabalhar com material líquido, também ao alto gasto energético envolvido das etapas de regeneração e à baixa estabilidade térmica e química. Com base nessa problemática, esse trabalho teve por objetivo a síntese de um tipo de sílica mesoporosa altamente ordenada (SBA-15) de modo a utilizá-la no processo de captura de CO2. O trabalho foi dividido em quatro etapas experimentais que envolveram a síntese da SBA-15, o estudo do comportamento térmico de algumas etanolaminas livres, síntese e caracterização de materiais adsorventes preparados a partir de incorporação de etanolaminas à SBA-15 e estudo da eficiência de captura de CO2 por esses materiais. Novas alternativas de síntese da SBA-15 foram estudadas neste trabalho, visando aperfeiçoar as propriedades texturais do material produzido. Tais alternativas são baseadas na remoção do surfatante, utilizado como molde na síntese da sílica mesoporosa, por meio da extração por Soxhlet, utilizando diferentes solventes. O processo contribuiu para melhorar as propriedades do material obtido, evitando o encolhimento da estrutura que pode ser ocasionado durante a etapa de calcinação. Por meio de técnicas como TG/DTG, DSC, FTIR e Análise Elementar de C, H e N foi realizada a caracterização físico-química e termoanalítica da MEA, DEA, MDEA e TEA, visando melhor conhecer as características destas substâncias. Estudos cinéticos baseados nos métodos termogravimétricos isotérmicos e não isotérmicos (Método de Ozawa) foram realizados, permitindo a determinação de parâmetros cinéticos envolvidos nas etapas de volatilização/decomposição térmica das etanolaminas. Além das técnicas acima mencionadas, MEV, MET, SAXS e Medidas de Adsorção de N2 foram utilizadas na caraterização da SBA-15 antes e após a incorporação das etanolaminas. Dentre as etanolaminas estudadas, a TEA apresentou maior estabilidade térmica, entretanto, devido ao seu maior impedimento estérico, é a etanolamina que apresenta menor afinidade com o CO2. Diferentemente das demais etanolaminas estudadas, a decomposição térmica da DEA envolve uma reação intramolecular, levando a formação de MEA e óxido de etileno. A incorporação destes materiais à SBA-15 aumentou a estabilidade térmica das etanolaminas, uma vez que parte do material permanece dentro dos poros da sílica. Os ensaios de adsorção de CO2 mostraram que a incorporação da MEA à SBA-15 catalisou o processo de decomposição térmica da mesma. A MDEA foi a etanolamina que apresentou maior poder de captura de CO2 e sua estabilidade térmica foi consideravelmente aumentada quando a mesma foi incorporada à SBA-15, aumentando também seu potencial de captura de CO2.

Membranas compósitas para separação de CO2

O presente trabalho envolveu a produção de membranas compósitas para separação de CO2 a altas temperaturas. Os compósitos habituais são constituídos por duas fases, uma cerâmica, de céria dopada com gadolínio (Ce0.9Gd0.1O0.95 - CGO) condutora de iões óxido, que funciona como suporte da segunda fase composta por uma mistura eutética de carbonatos alcalinos (Li2CO3 e Na2CO3), que assegura o transporte de iões carbonato. O objetivo do trabalho prende-se com o estudo do transporte de iões através destes compósitos, por forma a perceber se os sais destes compósitos apresentam condução iónica singular ou condução mista. Neste sentido a resposta a esta questão teve por base a realização de ensaios de eficiência faradaica com recurso a amostras compósitas envolvendo matrizes de CGO (condutor de iões óxido) e de aluminato de lítio (não condutor de iões óxido). A preparação tanto de esqueletos porosos como de compósitos foi realizada tendo por base métodos e precursores semelhantes aos usados na literatura. Primeiramente efetuou-se o processamento dos esqueletos porosos para posteriormente impregnação com mistura eutética de carbonatos. Obtidos os compósitos estes foram caraterizados por microscopia de impedância e por microscopia eletrónica de varrimento de forma a serem submetidos mais tarde aos ensaios de eficiência faradaica. Os resultados de eficiência faradaica revelaram que na realidade existem processos de condução mista cuja importância depende das condições de operação da membrana.

Development and Detailed Characterization of Innovative, High-Performance Membrane Materials for CO2 Capture Processes

The scope of this dissertation is to study the transport phenomena of small molecules in polymers and membranes for gas separation applications, with particular attention to energy efficiency and environmental sustainability. This work seeks to contribute to the development of new competitive selective materials through the characterization of novel organic polymers such as CANALs and ROMPs, as well as through the combination of selective materials obtaining mixed matrix membranes (MMMs), to make membrane technologies competitive with the traditional ones. Kinetic and thermodynamic aspects of the transport properties were investigated in ideal and non-ideal scenarios, such as mixed-gas experiments. The information we gathered contributed to the development of the fundamental understanding related to phenomenon like CO2-induced plasticization and physical aging. Among the most significant results, ZIF-8/PPO MMMs provided materials whose permeability and selectivity were higher than those of the pure materials for He/CO2 separation. The CANALs featured norbornyl benzocyclobutene backbone and thereby introduced a third typology of ladder polymers in the gas separation field, expanding the structural diversity of microporous materials. CANALs have a completely hydrocarbon-based and non-polar rigid backbone, which makes them an ideal model system to investigate structure-property correlations. ROMPs were synthesized by means of the ring opening metathesis living polymerization, which allowed the formation of bottlebrush polymers. CF3-ROMP reveled to be ultrapermeable to CO2, with unprecedented plasticization resistance properties. Mixed-gas experiments in glassy polymer showed that solubility-selectivity controls the separation efficiency of materials in multicomponent conditions. Finally, it was determined that plasticization pressure in not an intrinsic property of a material and does not represent a state of the system, but rather comes from the contribution of solubility coefficient and diffusivity coefficient in the framework of the solution-diffusion model.

Membrane design and characterisation by incorporation of ionic liquids

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Química, especialidade de Operações Unitárias e Fenómenos de Transferência, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Roteiro Tecnológico (roadmap) da Captação, Utilização e Armazenamento de Dióxido de Carbono (CCUS) em Portugal

O objetivo primordial deste trabalho foi estabelecer um roteiro tecnológico para aplicação das tecnologias de “Captação, Utilização e Sequestração de Carbono - CCUS” em Portugal. Para o efeito procedeu-se à identificação da origem das maiores fontes emissoras estacionárias industriais de CO2, adotando como critério o valor mínimo de 1×105 ton CO2/ano e limitado apenas ao território continental. Com base na informação recolhida e referente aos dados oficiais mais recentes (ano de 2013), estimou-se que o volume de emissões industriais de CO2 possível de captar em Portugal, corresponde a cerca de 47 % do valor global das emissões industriais, sendo oriundo de três setores de atividade industrial: produção de cimento, de pasta de papel e centrais termoelétricas a carvão. A maioria das grandes fontes emissoras industriais localiza-se no litoral do país, concentrando-se entre Aveiro e Sines. Pelas condicionantes geográficas do país e, sobretudo pela vantagem de já existir uma rede de gasodutos para o transporte de gás natural, com as respetivas infraestruturas de apoio associadas, admitiu-se que o cenário mais favorável para o transporte do CO2 captado será a criação de um sistema de transporte por gasoduto específico para o CO2. Como critério de compatibilização da proximidade das fontes emissoras de CO2 com potenciais locais para o armazenamento geológico das correntes captadas, adotou-se a distância máxima de 100 km, considerada adequada perante a dimensão do território nacional e as características do tecido industrial nacional. Efetuou-se a revisão das tecnologias de captação de CO2 disponíveis, quer comercialmente, quer em níveis avançados de demonstração e procedeu-se à análise exploratória da adequação desses diferentes métodos de captação a cada um dos setores de atividade industrial previamente identificados com emissões de CO2 suscetíveis de serem captadas. Na perspetiva da melhor integração dos processos, esta análise preliminar tomou em consideração as características das misturas gasosas, assim como o contexto industrial correspondente e o processo produtivo que lhe dá origem. As possibilidades de utilização industrial do CO2 sujeito à captação no país foram tratadas neste trabalho de forma genérica dado que a identificação de oportunidades reais para a utilização de correntes de CO2 captadas exige uma análise de compatibilização das necessidades efetivas de utilização de CO2 por parte de potenciais utilizadores industriais que carece da caracterização prévia das propriedades dessas correntes. Este é um tipo de análise muito específico que pressupõe o interesse mútuo de diferentes intervenientes: agentes emissores de CO2, operadores de transporte e, principalmente, potenciais utilizadores de CO2 como: matéria-prima para a síntese de compostos, solvente de extração supercrítica na indústria alimentar ou farmacêutica, agente corretor de pH em tratamento de efluentes, biofixação por fotossíntese, ou outra das aplicações possíveis identificadas para o CO2 captado. A última etapa deste estudo consistiu na avaliação das possibilidades de armazenamento geológico do CO2 captado e envolveu a identificação, nas bacias sedimentares nacionais, de formações geológicas com características reconhecidas como sendo boas indicações para o armazenamento de CO2 de forma permanente e em segurança. Seguiu-se a metodologia preconizada por organizações internacionais aplicando à situação nacional, critérios de seleção e de segurança que se encontram reconhecidamente definidos. A adequação para o armazenamento de CO2 das formações geológicas pré-selecionadas terá que ser comprovada por estudos adicionais que complementem os dados já existentes sobre as características geológicas destas formações e, mais importante ainda, por testes laboratoriais e ensaios de injeção de CO2 que possam fornecer informação concreta para estimar a capacidade de sequestração e de retenção de CO2 nestas formações e estabelecer os modelos geológicos armazenamento que permitam identificar e estimar, de forma concreta e objetiva, os riscos associados à injeção e armazenamento de CO2.

Separation Of Glycosidic Catiomers By Twim-ms Using Co2 As A Drift Gas.

Traveling wave ion mobility mass spectrometry (TWIM-MS) is shown to be able to separate and characterize several isomeric forms of diterpene glycosides stevioside (Stv) and rebaudioside A (RebA) that are cationized by Na(+) and K(+) at different sites. Determination and characterization of these coexisting isomeric species, herein termed catiomers, arising from cationization at different and highly competitive coordinating sites, is particularly challenging for glycosides. To achieve this goal, the advantage of using CO2 as a more massive and polarizable drift gas, over N2 , was demonstrated. Post-TWIM-MS/MS experiments were used to confirm the separation. Optimization of the possible geometries and cross-sectional calculations for mobility peak assignments were also performed. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.