Keywords: Sorción, dióxido de carbono, líquidos iónicos Sorption, carbon dioxide, ionic liquids Sorció, diòxid de carboni, líquids iònics

Title in different languages: Sorbentes de CO2 sin aminas basados en líquidos iónicos de carboxilato de fosfonio soportados sobre sólidos Solid-supported CO2 Sorbents Based on Amine-free Phosphonium Carboxylate Ionic Liquids Sorbents de CO2 sense amines basats en líquids iònics de carboxilat de fosfoni soportats sobre sólids

Subject areas: Ingeniería química Chemical engineering Enginyeria química

Confidenciality: No

Academic year: 2019-2020

Student: Mohammad, Yousefe

Department: Enginyeria Química

Access Rights: info:eu-repo/semantics/openAccess

Work's public defense date: 2020-09-09

TFM credits: 24

Project director: Puga, Alberto

Abstract: La captura de carbono es clave para minimizar los efectos negativos de las emisiones de CO2. Hay un gran número de tecnologías para captura de CO2. En la actualidad, se utilizan sobre todo sorbentes de CO2 basados en aminas. A pesar del razonable rendimiento de los sorbentes de aminas, tienen serias desventajas, como el alto coste energético de regeneración y degradabilidad térmica. Por ello, se siguen buscando intensamente nuevos materiales y tecnologías sorbentes para la captura de CO2. Se pueden diseñar líquidos iónicos, los cuales tienen presiones de vapor insignificantes, para capturar CO2. En este marco, los líquidos iónicos de carboxilato hidratados permiten una sorción química de CO2 con una entalpía moderada, lo que conlleva un menor coste energético para la regeneración. Por otro lado, los líquidos iónicos basados en fosfonio presentan una estabilidad térmica superior a la de sus homólogos de amonio. En este trabajo, se sintetizó hidrato de acetato de tetrabutilfosfonio ([P4 4 4 4][AcO]·H2O) mediante una simple neutralización del hidróxido con ácido acético en agua, se caracterizó por RMN, y se registraron sus temperaturas de descomposición térmica y de transición vítrea. Tras impregnación sobre sílice porosa, se obtuvo un material de flujo libre con soporte sólido ([P4 4 4 4][AcO]·H2O/SiO2) y se probó para experimentos de sorción-desorción de CO2 a partir de un gas de combustión modelo (15% de CO2) en una configuración de lecho fijo. El rendimiento se comparó con el de la polietilenimina sobre sílice (PEI/SiO2) como material sorbente amínico competidor utilizado comercialmente. Ambos sorbentes mostraron una rápida sorción de CO2, aunque la capacidad del sistema de aminas fue mayor. La desorción a baja temperatura (60 °C) fue completa y rápida para el [P4 4 4 4][AcO]·H2O/SiO2, mientras que para el PEI-20/SiO2 la velocidad de desorción fue mucho más lenta, y la libreación de CO2 no fue completa bajo las mismas condiciones. Además, el análisis termogravimétrico indicó que el [P4 4 4 4][AcO]·H2O/SiO2 es estable térmicamente hasta los 200°C. Carbon capture is key to minimize the negative effects of CO2 emissions. There are large numbers of technologies for CO2 capture. Currently, amine-based CO2 sorbents are mostly used. Despite the reasonable performance of amine sorbents, they have serious disadvantages such as high energy cost for regeneration and thermal degradability. Thus, new sorbent materials and technologies for CO2 capture are still intensely sought. Ionic liquids with negligible vapor pressure can be designed to capture CO2. In this framework, carboxylate ionic liquids, when hydrated, enable a chemical CO2 sorption with moderate enthalpy, which leads to lower energy cost for regeneration. On the other hand, phosphonium-based ionic liquids exhibit superior thermal stability compared to ammonium counterparts. In this work, tetrabutylphosphonium acetate hydrate ([P4 4 4 4][AcO]·H2O) was synthesized by simple neutralization of the hydroxide with acetic acid in water characterized by NMR, and its thermal decomposition and glass transition temperatures were recorded. After impregnation on porous silica, a free-flowing solid-supported material ([P4 4 4 4][AcO]·H2O/SiO2) was produced and tested for CO2 sorption-desorption experiments from model flue gas (15% CO2) in a fixed-bed setup. Performance was compared to polyethyleneimine on silica (PEI/SiO2) as a competitor amine sorbent material used commercially. Both sorbents showed fast CO2 sorption, although the capacity of the amine system was higher. Desorption at low temperature (60 °C) was complete and rapid for CO2-saturated [P4 4 4 4][AcO]·H2O/SiO2, while for PEI-20/SiO2 desorption rate was much slower, and desorption of CO2 was not complete under same condition. Furthermore, thermogravimetric analysis indicated that [P4 4 4 4][AcO]·H2O/SiO2 has thermal stability up to 200°C. La captura de carboni és clau per minimitzar els efectes negatius de les emissions de CO2. Hi ha un gran nombre de tecnologies per a la captura de CO2. Actualment, s’utilitzen principalment sorbents de CO2 basats en amines. Tot i el rendiment raonable dels sorbents d'amina, presenten greus desavantatges, com ara elevat cost energètic per a la regeneració i degradabilitat tèrmica. Per tant, la recerca en nous materials sorbents i tecnologies per a la captura de CO2 encara és intensament activa. Els líquids iònics, que destaquen per pressions de vapor insignificants, poden ésser dissenyats per capturar CO2. En aquest marc, els líquids iònics carboxilats hidratats permeten una absorció química de CO2 amb entalpia moderada, cosa que comporta un menor cost energètic per a la regeneració. D’altra banda, els líquids iònics a base de fosfoni presenten una estabilitat tèrmica superior en comparació amb els homòlegs d’amoni. En aquest treball, l’acetat de tetrabutilfosfoni hidratat ([P4 4 4 4][AcO]·H2O) es va sintetitzar mitjançant una simple neutralització de l’hidròxid amb àcid acètic en aigua, es va caracteritzar per RMN, i es van registrar les seves temperatures de transició i descomposició tèrmica. Després de la impregnació sobre sílice porosa, es va obtenir un sòlid suportat granulat ([P4 4 4 4][AcO]·H2O/SiO2) i es va assajar en experiments de sorció-desorció de CO2 a partir de gasos de combustió model (15% CO2) en llit fixe. El rendiment es va comparar amb el de polietilenimina sobre sílice (PEI-20/SiO2) com el material sorbent competidor basat en amines utilitzat comercialment. Tots dos sorbents van mostrar una ràpida absorció de CO2, tot i que la capacitat del sistema d’amines va ser superior. La desorció a baixa temperatura (60 ° C) va ser completa i ràpida per a [P4 4 4 4][AcO]·H2O/SiO2, mentre que per a PEI-20/SiO2 la taxa de desorció va ser molt més lenta i la desorció de CO2 no va ser completa en les mateixes condicions. A més, l'anàlisi termogravimètrica va indicar que [P4 4 4 4][AcO]·H2O/SiO2 té estabilitat tèrmica fins a 200 °C.

Subject: Enginyeria química

Entity: Universitat Rovira i Virgili (URV)

Language: Anglès

Education area(s): Nanociència, Materials i Processos - Tecnologia Química de Frontera 

Title in original language: Solid-supported CO2 Sorbents Based on Amine-free Phosphonium Carboxylate Ionic Liquids

Creation date in repository: 2021-07-15