Capture of pollutants from post-combustion streams with ionic liquids

Abstract

O aumento da emissão de poluentes nitrogenados, bem como as limitações presentes nos atuais métodos de controlo e o aparecimento de novas legislações e limites máximos de emissão, requerem o desenvolvimento de novos métodos para a redução destes poluentes. Os Líquidos Iónicos (LIs), pelas suas características únicas e baixa pressão de vapor, têm despertado uma grande atenção durante a última década e estão a tornar-se numa nova classe de solventes muito promissores para a captura de poluentes e separação de gases, quer como fase estacionária num processo de membranas quer como absorvente num processo de extração. Não obstante, o desenvolvimento de novos processos de controlo, ou melhoria dos já existentes, requerem o conhecimento do equilíbrio gás-líquido (EGL) que é, até ao momento, ainda insuficiente. Neste trabalho, a solubilidade de gases presentes em processos de combustão como o azoto (N2), o metano (CH4), óxido nitroso (N2O) e dióxido de carbono (CO2) num líquido iónico muito polar foram estudados através de medições do EGL. Os resultados demostram a já reconhecida elevada solubilidade de N2O e CO2 em LIs bem como a elevada seletividade em relação ao ar devido à baixa solubilidade do N2 nos LIs. Foi ainda observado que, contrariamente aos outros gases, para os sistemas N2 + LIs o aumento da temperatura provoca uma aumento da solubilidade do gás. A descrição dos sistemas anteriores por modelos teóricos é fundamental para o projeto de potenciais técnicas de redução de poluentes. Neste sentido, a soft-SAFT EoS, que tem demonstrado ser capaz de descrever sistemas com LIs com enorme sucesso, foi usada para descrever os diferentes sistemas publicados na literatura e medidos aqui em função da temperatura, composição e pressão, permitindo deste modo estender a aplicabilidade do modelo a novos sistemas. Novos parâmetros moleculares, necessários para a descrição de cada componente, são propostos neste trabalho para o N2O e para três dos cinco LIs estudados. Os resultados demonstraram uma boa descrição dos dados experimentais, tanto no que diz respeito ao comportamento inverso observado para o N2 como a baixa dependência do CH4 com a temperatura. Finalmente, a capacidade de extração dos LIs bem como a sua seletividade é comparada com a dos solventes utilizados nos métodos de controlo atuais, como monoetanolamina (MEA) e éter monometílico de trietilenoglicol (TEGMME). Os resultados demonstram uma capacidade de extração dos LIs igual ou superior à dos solventes convencionais, aliada a uma elevada seletividade em relação ao N2O e CO2. Com base neste trabalho, pode-se afirmar que os LIs, devido às suas características únicas e elevada seletividade, apresentam um grande potencial para serem utilizados na captura de poluentes.

The increase in nitrogenated pollutants emissions, along with the limitations of the existing control methods and future stricter legislation, demands the development of new methods to reduce such pollutants. Ionic liquids (ILs), due to their unique characteristics and low vapour pressure, have attracted a large attention during the last decade and are becoming a promising class of solvents to capture pollutants and for gas separation, either as a stationary phase in a membrane process or as an absorption solvent in an extraction process. Nonetheless, the development and/or improvement of new/existing control processes requires the knowledge of gas-liquid equilibrium (GLE) data for ILs + gas systems that are, at the moment, still scarce. The solubilities of some common gases present in combustion processes, such as nitrogen (N2), methane (CH4), nitrous oxide (N2O) and carbon dioxide (CO2), were studied through the experimental measurement of the GLE. The results showed a high solubility of N2O and CO2 compared to N2. Furthermore, a surprisingly increase of the solubility of N2 with temperature was observed. The description of previous systems by theoretical models stands also as a vital task for the development of techniques to reduce pollutants. In this sense, the soft-SAFT EoS has proven to be able to describe systems with ILs with a huge success and in a predictive manner. Thus, this model was used to describe the GLE data available in the literature and measured here, for different temperatures and for all concentrations and pressures ranges studied, in order to extend the applicability of the soft-SAFT EoS to describe/predict the gas + ILs systems. The molecular parameters necessary for the description of each compound were determined for the first time in this work for N2O and three of the five ILs involved. The results showed a good description of the experimental data. In addition to that, soft-SAFT EoS successfully predicts the peculiar behaviour observed for N2 as well as the low temperature dependence observed for the CH4 systems. Finally, the extraction capacity and gases selectivity in the ILs was compared with other solvents used in the reduction of pollutants, such as monoethanolamine (MEA) and triethylene glycol monomethyl ether (TEGMME). The results showed a similar or higher extraction capacity of the ILs compared to conventional solvents, combined with a high selectivity towards N2O and CO2. Based on the results showed on this work, it is suggested that ILs due to their unique characteristics and high selectivity are promising agents to capture pollutants.