Post-combustion flue gas purification using ionic liquids

Abstract

Due to the emissions of greenhouse gases to the atmosphere the phenomenon known as global warming has risen awareness and real concern. The knowledge of the problem has driven many researchers to pursuit work on the development of new methodologies and processes able to mitigate the greenhouse gas effect by the capture and sequestration of greenhouse gases. Among the solvents proposed as innovative and feasible for the gas capture, namely CO2, the ionic liquids have stand out as those with the highest potential due to their exceptional properties. However, being possible to synthesize over one million different ionic liquids, their full characterization stands unrealistic. Aiming at identifying the families of ionic liquids with the highest potential, computational predictive tools, like COSMO-RS, and/or models and correlations have hampered the selection of the best solvents. In this thesis, ionic liquids based on amino-acids are evaluated as solvents with chemisorption for the capture of CO2 at low pressures and moderate partial pressures of the gas. For the characterization of the pVT phase diagram of the selected solvents a constant volume setup, isochoric cell, was design, developed and validated allowing to further evaluate the studied ionic liquids at temperature and pressure ranges of 30 to 80 ºC and up to 5 bar, respectively. Although, ionic liquids stand out as solvents with high potential their application on traditional separation units have been shown unfeasible. Nonetheless, other mechanisms and separation units, like the ionic liquid immobilization in silica or carbon particles or their use in gas-liquid membrane contactors, have been proposed as alternatives. Having as ultimately goal the selection of a solvent or mixture of solvents with high potential for the intended separation and their implementation on a continuous gas-liquid membrane contactor separation unit, the studied solvents were further evaluated for the diffusivity when supported in commercial membranes using the “time-lag” method.

Devido à excessiva emissão de gases de efeito de estufa para a atmosfera o fenómeno conhecido como aquecimento global torna-se cada vez mais relevante e preocupante. A consciência do problema identificado incentivou muitos investigadores a encetar esforços focados no desenvolvimento de novos processos e metodologias capazes de mitigar o efeito de estufa recorrendo à captura e sequestro dos gases de efeito de estufa. Entre os solventes propostos como inovadores e com elevado potencial para a captura de gases, nomeadamente o CO2, os líquidos iónicos têm-se distinguido entre os demais devido às suas propriedades excecionais. Contudo, sendo possível sintetizar aproximadamente um milhão de líquidos iónicos, a sua caracterização torna-se inviável. Procurando identificar as famílias de líquidos iónicos com maior potencial, ferramentas preditivas, como o COSMO-RS, e/ou modelos e correlações apresentam-se como ferramentas matemáticas úteis na identificação dos solventes com maior potencial. Nesta tese, líquidos iónicos baseados em amino ácidos são avaliados como solventes com absorção química para a captura de CO2 a baixa pressão e pressões parciais de gás moderadas. Para a caracterização do diagrama de fases dos sistemas de interesse, um equipamento de solubilidade a volume constante, célula isocórica, foi desenvolvido e validado permitindo posteriormente a caracterização do diagrama pVT na gama de temperaturas e pressões de 30 a 80 ºC e 0.5 a 5 bar. Embora o potencial dos líquidos iónicos seja indiscutível a sua aplicação em processos unitários tradicionais, como colunas de enchimento, mostrou-se impraticável. Contudo outros mecanismos, como imobilização dos líquidos iónicos em partículas de sílica ou de carbono ou o uso de contactores de membranas gás-líquido têm vindo a ser propostos e avaliadas. Tendo como objetivo último a identificação do solvente ou mistura de solventes como maior potencial para a separação em causa e implementação num sistema de contactores gás-líquido, como unidade de separação, os solventes estudados foram ainda avaliados em relação à sua difusividade quando suportados em membranas comerciais usando o método de “time-lag”.