Characterization of amine-based CO2 adsorbent for Direct Air Capture

Abstract

Direct air capture technologies extract CO2 from air at a concentration of as low as 400ppm. The captured CO2 can be used for the production of synthetic methane or liquid fuels. In the literature survey of this thesis, results related to direct air capture by using solid sorbents are presented and critically discussed. In the experimental part, a proprietary amine functionalized resin is characterized for direct air capture. Structural comparison is also made to a commercial resin of similar type. Based on the literature survey, the most important parameters in direct air capture process are low adsorption and desorption temperatures, good cyclic stability in dry and humid conditions, high CO2 outlet purity and a high working capacity. Primary amine functionalized solid sorbents are found to often have good qualities for direct air capture, but overall process performance is rarely studied exhaustively. Based on FTIR spectra, both resin adsorbents are found to be consisted of polystyrene functionalized with primary amine, and capture CO2 by forming carbamate. The commercial resin is more porous, has a slightly higher particle size and contains fewer impurities. Important physical parameters are gained of the proprietary resin, such as internal porosity and median particle size. The resin’s amine group is found to endure thermal treatment reasonably well. CO2 adsorption capacity gained by thermal gravimetry from 400ppm CO2 is highest at 25oC, and is found to be reasonable compared to values presented in literature. Thus, the resin is stated to exhibit promising qualities for direct air capture.

Direct air capture- teknologioilla erotetaan hiilidioksidia suoraan ilmasta jopa vain 400ppm:n konsentraatiosta. Talteen otettua hiilidioksidia voidaan käyttää synteettisen metaanin tai nestemäisten polttoaineiden tuotantoon. Diplomityön kirjallisuuskatsauksessa esitetään erilaisilla direct air capture sorbenteilla saatuja keskeisimpiä tuloksia, ja tarkastellaan niitä kriittisesti. Kokeellisessa osuudessa yksityisomistuksellinen amiinilla funktionalisoitu hartsi karakterisoidaan direct air capture- prosessia varten. Lisäksi verrataan tämän hartsin rakennetta samantyyppiseen kaupalliseen hartsiin. Kirjallisuuskatsaukseen perustuen, direct air capture- prosessin tärkeimmät parametrit ovat alhaiset adsorptio- ja desorptiolämpötilat, hyvä syklinen stabiliteetti kuivissa ja kosteissa olosuhteissa, korkea CO2:n ulostulovirran puhtausaste, sekä korkea desorptiokapasiteetti. Primäärisellä amiinilla funktionalisoiduilla sorbenteilla on usein hyvät ominaisuudet direct air capture- prosesseja varten, mutta suorituskykyä kokonaisuudessaan tutkitaan harvoin kattavasti. FTIR-spektreihin perustuen, kumpikin adsorbentti koostuu primäärisellä amiinilla funktionalisoidusta polystyreenistä, ja kaappaavat hiilidioksidia muodostaen karbamaattia. Kaupallinen hartsi on huokoisempi, sillä on hieman suurempi partikkelikoko, ja se sisältää vähemmän epäpuhtauksia. Tärkeitä fysikaalisia parametreja saadaan yksityisomistuksellisesta hartsista, kuten sisäinen huokoisuus ja mediaanipartikkelikoko. Hartsin amiiniryhmän todetaan kestävän lämpökäsittelyä kohtalaisen hyvin. Lämpögravimetrisellä analyysillä saatu adsorptiokapasiteetti 400ppm:n CO2:sta on suurin 25oC:n lämpötilassa, ja arvon havaitaan olevan kohtuullinen verrattuna kirjallisuuden arvoihin. Kyseisellä hartsilla todetaan siis olevan lupaavia ominaisuuksia direct air capture- prosessia varten.