Experimental and modelling-based evaluation of novel CO2 adsorbents for direct air capture
Luukkonen, Aaro (2022)
Diplomityö
Luukkonen, Aaro
2022
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022090157010
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022090157010
Tiivistelmä
Direct air capture (DAC) has shown high potential for climate change mitigation by removing CO2 from the atmosphere and then either storing it into geological storages to generate negative emissions or utilizing it as a feedstock in various applications. The DAC technology based on amine-functionalized adsorbents has proven to be a particularly promising method for CO2 capture. However, the costs of DAC are still too high for large-scale deployment due to the technical challenges related to adsorbents and high specific energy requirement (SER) of the process. Improving the performance of the adsorbents is the most important way to reduce the costs.
In this thesis, experiments and modelling were used to evaluate how different operating conditions and adsorbent parameters affect the performance of the amine-functionalized adsorbents. The experiments investigated the CO2 adsorption and desorption capacities of the adsorbent, while the modelling utilized a dynamic CO2 adsorption model to simulate CO2 productivity and SER in a fixed adsorbent bed.
It was noticed that humidity may even double the CO2 adsorption capacity, but the co-adsorbed H2O increased the SER in regeneration. Increasing the regeneration temperature, on the other hand, accelerated the regeneration and thus improved CO2 productivity. Both CO2 productivity and SER could also be improved by optimizing the cycle duration. Among the adsorbent properties, the most significant in terms of CO2 productivity and SER were cyclic stability, maximum capacity and kinetic parameters. Hiilidioksidin talteenotto suoraan ilmakehästä (DAC) on osoittanut suurta potentiaalia ilmastonmuutoksen hillitsemisessä ja kaapattua hiilidioksidia voidaan hyödyntää joko geologiseen varastointiin negatiivisten päästöjen tuottamiseksi tai raaka-aineeksi erilaisiin prosesseihin. Amiineilla funktionalisoituihin adsorbentteihin perustuva DAC-tekniikka on osoittautunut erityisen lupaavaksi menetelmäksi CO2:n talteenotossa. DAC:n kustannukset ovat kuitenkin edelleen liian korkeat laajamittaiseen käyttöönottoon johtuen adsorbentteihin liittyvistä teknisistä haasteista ja prosessin korkeasta ominaisenergiatarpeesta (SER). Adsorbenttien suorituskyvyn kehittäminen onkin siksi tärkein keino pienentää kustannuksia.
Tässä diplomityössä arvioitiin kokeiden ja mallinnuksen avulla, miten erilaiset käyttöolosuhteet ja adsorbentin ominaisuudet vaikuttavat amiinifunktionalisoitujen adsorbenttien suorituskykyyn. Kokeilla tutkittiin adsorbentin CO2-adsorptio- ja desorptiokapasiteetteja, kun taas mallinnuksessa käytettiin dynaamista CO2-adsorptiomallia simuloimaan CO2-tuottavuutta ja SER:iä kiinteässä adsorbenttipedissä.
Työssä havaittiin, että ilmankosteus voi jopa kaksinkertaistaa CO2-adsorptiokapasiteetin, mutta tällöin adsorboitunut vesi kasvattaa SER:iä pedin regenerointivaiheessa. Regenerointilämpötilan kohottaminen sen sijaan nopeutti regenerointia ja siten paransi CO2-tuottavuutta. CO2-tuottavuutta ja SER:iä voitiin parantaa myös optimoimalla syklin kestoa. Adsorbentin ominaisuuksista merkittävimmät CO2-tuottavuuden ja SER:in kannalta olivat syklinen kestävyys, maksimikapasiteetti ja kineettiset ominaisuudet.
In this thesis, experiments and modelling were used to evaluate how different operating conditions and adsorbent parameters affect the performance of the amine-functionalized adsorbents. The experiments investigated the CO2 adsorption and desorption capacities of the adsorbent, while the modelling utilized a dynamic CO2 adsorption model to simulate CO2 productivity and SER in a fixed adsorbent bed.
It was noticed that humidity may even double the CO2 adsorption capacity, but the co-adsorbed H2O increased the SER in regeneration. Increasing the regeneration temperature, on the other hand, accelerated the regeneration and thus improved CO2 productivity. Both CO2 productivity and SER could also be improved by optimizing the cycle duration. Among the adsorbent properties, the most significant in terms of CO2 productivity and SER were cyclic stability, maximum capacity and kinetic parameters.
Tässä diplomityössä arvioitiin kokeiden ja mallinnuksen avulla, miten erilaiset käyttöolosuhteet ja adsorbentin ominaisuudet vaikuttavat amiinifunktionalisoitujen adsorbenttien suorituskykyyn. Kokeilla tutkittiin adsorbentin CO2-adsorptio- ja desorptiokapasiteetteja, kun taas mallinnuksessa käytettiin dynaamista CO2-adsorptiomallia simuloimaan CO2-tuottavuutta ja SER:iä kiinteässä adsorbenttipedissä.
Työssä havaittiin, että ilmankosteus voi jopa kaksinkertaistaa CO2-adsorptiokapasiteetin, mutta tällöin adsorboitunut vesi kasvattaa SER:iä pedin regenerointivaiheessa. Regenerointilämpötilan kohottaminen sen sijaan nopeutti regenerointia ja siten paransi CO2-tuottavuutta. CO2-tuottavuutta ja SER:iä voitiin parantaa myös optimoimalla syklin kestoa. Adsorbentin ominaisuuksista merkittävimmät CO2-tuottavuuden ja SER:in kannalta olivat syklinen kestävyys, maksimikapasiteetti ja kineettiset ominaisuudet.