Le membrane: una tecnologia pulita per la cattura e la conversione di CO 2 - Maria Grazia De Angelis - CO2Club
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Le membrane: una tecnologia
pulita per la cattura e la
conversione di CO2
Maria Grazia De Angelis
Department of Civil, Chemical, Environmental and
Materials Engineering (DICAM)
Università di Bologna
Tecnologie di cattura della CO2 • Processi con SOLVENTE (ASSORBIMENTO G/L) • Processi con SORBENTE (ADSORBIMENTO G/S) • Processi a MEMBRANA • Processi di OSSI COMBUSTIONE • Processi di CHEMICAL LOOPING
Cos’è una membrana? • Un film selettivo che favorisce la permeazione preferenziale di una molecola sulle altre, sulla base delle sue dimensioni o natura chimica. • Polimerico, ceramico o metallico Post- combustione
Strategie di cattura con membrane • Post combustione : CO2/N2 àCO2 nel permeato (bassa P) • Pre-combustione: CO2/H2 à CO2 o H2 nel permeato • Cattura da gas naturale, biogas: CO2/CH4àCO2 nel permeato (bassa P)
Sistemi di cattura a membrana Courtesy of MTR
Moduli a membrana: plate and frame
• Bassa packing density
• Facile da fabbricare
(Membrana piana
composita)
• Basse perdite di caricoà
buono per post-
combustione
Moduli a membrana: a spirale
• Media packing density
• Facile da fabbricare
(Membrana piana
composita)
• Medie perdite di carico
Spiral Wound Membrane Video
Moduli a membrana: fibre cave
• Alta packing density
• Mediamente facile da fabbricare
Hollow fiber module Video
• Alte perdite di carico
Limite alla performance di membrane
• MEMBRANE PERFORMANCE:
Selectivity vs. Permeability of more
permeable component
• UPPER BOUND:
There is a physical limit to the
separation
• TRADEOFF:
Membranes with high permeability
have low selectivity, and vice versa
Robeson, Journal of Membrane Science, 2008
Strategie per superare l’ upper bound-
Trasporto facilitato
Diffusione+ reazioneE’ possibile fare impianti a membrana grandi?
I sistemi attuali per la rimozione di CO2 da gas naturale gestiscono una portata di
gas equivalente quella dei fumi prodotti da una centrale a carbone da 400 MWe
Courtesy of MTRProgetto H2020 NANOMEMC2 Coordinatore UNIBO
www.nanomemc2.euStrategia
Facilitated transport membranes
https://membrane-australasia.org/msa-activities/polymer-
gas-separation-membrane-database
Current polymer-based membranes (2019)
w.r.t Robeson Upper bound 2008
Hybrid membranesMateriali
PVAm, PVA, PAA,PPO, PTMSP,
PEBAX, Mod-PEBAX, SHPAA(A),
SHPAA(B), Emim Ac, BmimNO3, Emim Ac, ProK, L-Arginine,
PDMS Glyicine K, Cysteine K,
Ethylamine Sarcosinate
Additives
Polymer (6)
matrices
(12)
Nanofillers
(9)
Graphene, GO, pGO, GO-PVAm,
MFC, CMC, MFC-PEG4, MFC-
PPG, MFC-B-AlanineTests
Poly vinyl alcohol + Amino acid salts (ProK, CysK, L-Arg and GlyK)
Ref: Dai, Zhongde; Deng, Jing; Ansaloni, Luca; Janakiram, Saravanan; Deng, Liyuan. Journal of Membrane Science, 578. (2019) 61-68Tests
Test su Pilota
previsti a Sheffield
Polyallyl amine + GO/pGOTests
80 First prototype membrane
PVA - Amino Acid Salts PVA/ProK
SHPAA - Nanocellulose
SHPAA - GO Second prototype considered
PVAm - GO
60
PVA - Nanocellulose PAA/pGO
CO2/N2 Selectivity
Pilot tests will be performed in
40 COLACEM and Sheffield
20 Next steps:
• Pre-pilot or pilot test in field
&
0 • Fabrication of TFC membranes
300 400 500 600 700 800 900 1000
CO2 Permeance (GPU)
• Tests at higher temperatures
• Durability test of the selected
membranes
• Tests on CO2/CH4 & CO2/H2
separationConsiderazioni finali
• Le membrane sono una tecnologia pulita che non prevede
residui tossici, avente come forza motrice un Dp
• La modularità del sistema a membrana garantisce una
estrema flessibilità operativa
• Le dimensioni dei sistemi a membrana sono ridotte
• I processi a membrana possono essere usati anche per
• aumentare la resa in processi di conversione di CO2
(reattori a membrana)
• Effettuare cattura parzialeMembrane processes in CO2 capture
H2 rich
Pre-combustion CO2 capture
CO2 selective
STEAM membrane
REFORMING
SYNGAS H2 selective CO2
(+WGS) membrane
H2 Combustion
HYDROCARBON
FLUE GAS N2
COMBUSTION
CO2 selective
membrane CO2
Post-combustion CO2 captureMembrane processes in CO2 capture
N2
COMBUSTION
CH4 rich CO2 selective
CH4 CO2
membrane
PURIFICATION
CO2 selective
membrane
CO2
Biogas (CH4/CO2)
N2
CO2 selective
membrane CO2
COMBUSTION
Post-combustion CO2 capturePolymeric membranes performance:
syngas capture
T decreasing
T increasing
T. C. Merkel, M. Zhou, R.W. Baker, Carbon dioxide
capture with membranes at an IGCC power plant,
Journal of Membrane Science 389 (2012) 441– 450
H2 selective or CO2 selective?
H2- selective membranes seems to be better for IGCC
process (Merkel et al. JMS 2012)IGCC: H2 or CO2 selective membranes?
CO2 storage pressure ≃ 150 bar
H2 purity required: 44-80%
• High CO2 pressure is required to avoid further compressions; T ≃ 200°C, P ≃ 25-30 bar
• H2-selective membranes keep CO2 on the retentate side of the membrane, which is at
higher pressure than permeate, and shall be preferred;
• Relatively low H2 purity required makes membranes eligible for performing the
separation in this configuration.
• Ideally, membranes with H2 permeance of 300 GPU and selectivity at 150°C of 15 are
commercially attractive
J.J. Marano et al._Energy Procedia (2009)CO2 capture from SYNGAS (INSTM UniBo-Sotacarbo)
CO2 capture performance
is enhanced by temperature
100
PPO + PPO +
ZIF 10 wt.% ZIF 35 wt.%
Alpha (He/CO2)
10
PPO +
ZIF 45 wt.%
1
Pure PPO
0,1
10 100 1000 10000
He Permeability (Barrer)Conclusions •Membranes are an efficient, sustainable, flexible and mature technology for CO2 capture •There is room for improvement on the material side, using different strategies (chemistry, incorporation of fillers).
Acknowledgements •SOTACARBO, Contratto INSTM-SOTACARBO Rif INDBO01183 , Sviluppo e studio di un sistema basato su membrane composite per la purificazione di gas di sintesi ottenuto da gassificazione” •Luca Olivieri, Francesco M. Benedetti, Simone Ligi, Silvia Meneguzzo, Bibiana Comesana Gandara, Angel Lozano, Luca Ansaloni, Andrea Sardano,
CO2 capture from SYNGAS
(INSTM UniBo-Sotacarbo)
Pure POLYMER+
POLYMER Zeolite
(PPO)Membrane advantages Courtesy of MTR
Polymeric membranes flux: driven by
permeability
(=D x S)
AREA x PERMEABILITY x Pressure x GAS fraction
GAS
@
FLUX
Thickness
Upstream pressure:
Membrane
properties can be enhanced by
compression
Upstream gas fraction: depends on feed
gas mixture
(can be enhanced by recycle)Membranes for post combustion
Summary of separation performance: sample 2nd G-membranes
80
PVA - Amino Acid Salts
SHPAA - Nanocellulose
SHPAA - GO
60 PVAm - GO
PVA - Nanocellulose
CO2/N2 Selectivity
40
20
0
300 400 500 600 700 800 900 1000
CO2 Permeance (GPU)Puoi anche leggere
