Feasibility study for CO2 capture from seawater using an electrodialysis process
Veijalainen, Valtteri (2021)
Diplomityö
Veijalainen, Valtteri
2021
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021080241882
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021080241882
Tiivistelmä
The goal of this thesis work was to study the feasibility of an electrodialysis based capture process for carbon dioxide (CO2) from seawater. The basis of the process is to divide seawater into two separate streams with increased and decreased pH level by using bipolar membrane electrodialysis. The stream with the increased pH can be then used to precipitate carbonates from the stream. Gaseous carbon dioxide can be obtained from the solidified carbonates when combined with the acidic stream. The literature review provides a background for the work, an assessment of the current existing methods to separate CO2 from seawater involving the processes and their feasibility. The effect of the quality and properties of seawater to the process function is also reviewed. The applied part is devoted to study the feasibility of the process in terms of process simulation and financial evaluation. The original plan was to use Aspen Plus for the simulation of the process. Unfortunately, it became clear that the obtained results for seawater pH and carbonate precipitation with the current thermodynamic models and their parameters were not consistent with experimental data available for seawater. Therefore, the simulations were carried out with simple spreadsheeting calculation to solve the mass and energy balances. In the simulation part the process layout, mass and energy balances and simulation design are presented to provide a proof of a concept. The yearly CaCO3 production is 13400 tons from 36.5 Mt of brine. In the latter part the investment and operational costs are evaluated. The total investment cost was estimated at 96.8 M€ and annual operating cost at 52.6 M€. Minimal selling price for the solid CaCO3 was evaluated to be between 4-5 €/kg where it reached a positive annual gross profit. This estimated price is higher than the current market price of CaCO3. Therefore, the studied process is not profitable with the used evaluation basis. Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia soveltuvuutta hiilidioksidin talteenotolle merivedestä hyödyntäen elektrodialyysiin pohjautuvaa prosessia. Prosessin lähtökohtana on jakaa merivesi kaksisuuntaisen membraanielektrodialyysin avulla emäksiseksi ja happamaksi virraksi. Emäksistä virtaa käytetään karbonaattien saostamiseen merivesivirrasta ja kiinteästä karbonaatista voidaan ottaa talteen kaasumaista hiilidioksidia happaman virran avulla. Kirjallisuusosassa taustoitetaan työtä ja arvioidaan nykyisiä menetelmiä hiilidioksidin talteenotolle merivedestä. Meriveden laadun ja ominaisuuksien vaikutusta prosessin toimivuuteen myös tarkastellaan. Työn soveltuva osa keskittyy prosessin soveltuvuuden arvioimiseen prosessisimuloinnin ja kustannusarvioinnin avulla. Simulointi oli tarkoitus suorittaa Aspen Plus -simulointiohjelmiston avulla. Valitettavasti kävi ilmi, että saadut tulokset meriveden pH:sta ja karbonaattien saostumisesta käytetyillä termodynaamisilla malleilla eivät olleet johdonmukaisia olemassa olevan kokeellisen datan kanssa. Simulointi siirrettiin taulukkolaskentaohjelmaan massa- ja energiataseiden laskemiseksi. Lisäksi simulointiosassa esitetään prosessisuunnitelma lohko- ja virtauskaavioiden, sekä mitoituksen avulla. Tulosten perusteella kalsiumkarbonaatin vuosittainen tuotanto on 13400 tonnia, kun merivedestä tuotetun liuoksen vuotuinen kapasiteetti on 36.5 Mt. Kustannusarvioinnissa esitetään prosessin investointi- ja käyttökustannukset. Kokonaisinvestointikustannukset arvioidaan olevan 96.8 M€ ja vuotuiset käyttökustannukset 52.6 M€. Minimi myyntihinta kiinteälle kalsiumkarbonaatille on 4-5 €/kg, jolloin positiivinen käyttökate saavutetaan. Hinta on kalliimpi nykyiseen markkinahintaan verrattuna, eikä tutkittu prosessi ole tuottoisa tämän tutkimuspohjan perusteella.