CO2 capture using ionic liquids

Abstract

The emission of greenhouse gases into the atmosphere, in particular carbon dioxide (CO2), has become problematic due to climate change. To combat this problem, many researchers have focused their activities on the development of new processes and methodologies to mitigate greenhouse gases. Among the alternatives, carbon capture and storage technologies play a key role in mitigating CO2. Within the range of solvents proposed as innovative and with a high potential for CO2 capture, ionic liquids (ILs) offer unique properties, being a promising alternative in the replacement of critical solvents commonly used in the physical sorption of this gas. Although the potential of ILs is evident in CO2 capture, the application of these solvents to industrial-scale processes is still at a very early stage. This is partly due to the little knowledge of thermophysical properties of ILs, such as density and solubility, that limit the development of robust models essential in the development of processes. Thus, in this thesis, ILs based on carboxylates are evaluated as potential solvents for CO2 capture. To study the viability of this alternative, liquid-vapor equilibrium data are necessary. In addition, the description of thermophysical properties by equations of state (EoS) are essential for the design of industrial process. The solubility data - pVT diagram - were obtained using an isochoric cell, in the range of temperatures and pressures from 303 to 343 K and 0.1 to 0.5 MPa. The density data were measured using a high-pressure measuring cell - diagram ρpT - in the temperature and pressure range from 283 to 363 K and 0.1 to 95 MPa. These were modeled using EoS based on statistical mechanics, PC-SAFT and soft-SAFT. The ILs analyzed in this work show a high capacity for the physical absorption of CO2. The compound with the highest absorption capacity is [DEEA][Prop]│1.5:1 with a solubility value of xCO2=0.10 and molality mCO2=0.49 molCO2ꞏkgIL-1 at 0.5 MPa and 303 K. The density and derived properties, namely isothermal compressibility and isobaric thermal expansion, were modeled using PC-SAFT and soft-SAFT EoS. The EoS PC-SAFT demonstrated difficulty in describing the experimental data, with the association volume parameter very close to zero, which has no physical significance, since the compounds have functional groups that interact with each other. soft-SAFT provides a better description of the experimental data, with parameters with valid physical meaning. According to the results obtained in this work, further studies of thermophysical characterization of different ionic liquids are necessary to create a solid database that allows its application at an industrial level.

A emissão de gases de efeito de estufa para a atmosfera, em particular o dióxido de carbono (CO2), tem vindo a tornar-se cada vez mais preocupante devido às alterações climáticas. Para combater este problema, muitos investigadores têm focado as suas atividades no desenvolvimento de novos processos e metodologias que permitam mitigar os gases do efeito estufa. Dentro das alternativas, as tecnologias de captura e armazenamento de carbono desempenham um papel fundamental na mitigação do CO2. Dentro do leque de solventes propostos como inovadores e com elevado potencial para a captura de CO2, os líquidos iónicos (LIs) oferecem propriedades únicas, sendo uma alternativa promissora na substituição de solventes críticos comumente usados na sorção física deste gás. Apesar do potencial dos LIs ser evidente na captura de CO2, a aplicação destes solventes a processos à escala industrial está numa fase muito inicial. Isto deve-se em parte ao escasso conhecimento das propriedades termofísicas dos LIs, como a densidade e solubilidade, que limitam o desenvolvimento de modelos robustos essenciais no desenvolvimento de processos. Assim, nesta tese, LIs à base de carboxilatos são avaliados como potenciais solventes na captura de CO2. Para estudar a viabilidade desta alternativa, dados de equilíbrio líquido-vapor são necessários. Além disso, o conhecimento e a descrição das propriedades termofísicas por equações de estado adequadas são essenciais para o design e desempenho do processo industrial. Os dados de solubilidade – diagrama pVT – foram obtidos usando uma célula isocórica, na gama de temperaturas e pressões de 303 a 343 K e 0.1 a 0.5 MPa. Os dados de densidade foram medidos usando uma célula de medição a alta pressão – diagrama ρpT – na gama de temperaturas e pressões de 283 a 363 K e 0.1 a 95 MPa. Estes foram modelados utilizando equações de estado baseadas na mecânica estatística, PC-SAFT e Soft-SAFT. Os LIs analisados neste trabalho mostram elevada capacidade de absorção física de CO2 demonstrando que o composto com maior capacidade de absorção é o [DEEA][Prop]│1.5:1 obtendo um valor de solubilidade de xCO2=0.10 e molalidade mCO2=0.49 molCO2ꞏkgIL-1 a 0.5 MPa e 303 K. A densidade e as propriedades derivadas, nomeadamente compressibilidade isotérmica e expansividade térmica isobárica, foram modelados usando a PC-SAFT e a SoftSAFT. A EoS PC-SAFT apresenta dificuldade na descrição dos dados experimentais, sendo o parâmetro de volume de associação muito próximo de zero, o que não possui significado físico uma vez que os compostos possuem grupos funcionais que interagem entre si. Já a Soft-SAFT providencia uma melhor descrição dos dados experimentais com parâmetros com significado físico válido. De acordo com os resultados obtidos neste trabalho, são necessários mais estudos de caracterização termofísica de diferentes líquidos iónicos de forma a criar uma base sólida de dados que permita a sua aplicação a nível industrial.