CO2/CH4 separation with ionic liquids

Abstract

As alterações climáticas e as demais mudanças associadas aos gases de efeito de estufa, concretamente ao dióxido de carbono, têm vindo a suscitar cada vez mais interesse, proporcionando a descoberta e o desenvolvimento de técnicas e processos que promovam a mitigação deste gás na atmosfera. Os líquidos iónicos são uma classe de compostos que têm vindo a gerar um interesse crescente, desde a sua descoberta em 1914 até a actualidade. São sais, compostos por iões, líquidos à temperatura ambiente, e possuindo propriedades como baixa pressão de vapor, não inflamabilidade, larga janela eletroquímica, grande estabilidade química e térmica e o facto de serem líquidos numa faixa de temperatura extensa, têm contribuindo para o desenvolvimento de processos ambientalmente mais conscientes. A troca do catião ou do anião permite alterar significativamente as propriedades do líquido iónico e adaptá-lo ao fim pretendido. As áreas de aplicação dos LIs têm vindo a expandir, destacando-se neste trabalho a sua aplicação na purificação de correntes de misturas gasosas. A separação do dióxido de carbono de metano é de elevada relevância no que toca à purificação do gás natural. A presença de CO2 diminui o poder de combustão do gás natural, provoca problemas de corrosão nas tubagens e equipamentos e aquando a combustão do gás natural o CO2 é emitido contribuindo para a poluição atmosférica. Neste trabalho utilizaram-se dados de equilíbrio líquido vapor para sistemas de CO2 com líquidos iónicos e outros solventes não voláteis, analisando os desvios à idealidade apresentados por estes sistemas, tentando perceber desta forma, melhor o mecanismo que controla a solubilidade deste gás. Foram igualmente analisados os desvios à idealidade para sistemas de CH4 e líquidos iónicos. Estudou-se para diferentes LIs qual o composto preferencialmente absorvido, CO2 ou CH4, recorrendo ao cálculo da selectividade. Com o objectivo de analisar como algumas propriedades termodinâmicas dos líquidos iónicos afectam a solubilidade dos gases, estudou-se o efeito do volume molar e da tensão superficial destes solventes.

ABSTRACT: Climate change and other changes related to greenhouse gases, specifically carbon dioxide, have been raising increasing concern, providing the discovery and development of techniques and processes that promote the mitigation of this gas in the atmosphere. Ionic liquids are a class of compounds that have been generating increasing interest since its discovery in 1914 until today. They are salts, composed of ions, that are liquid at room temperature, and having properties such as low vapor pressure, wide temperature ranges in the liquid state, non-flammability, wide electrochemical window, high chemical and thermal stability, have contributed to the development of more environmentally conscious processes. The exchange of the cation or anion can significantly change the properties of the ionic liquid and adapt it to a specific end in mind. Ionic liquids application areas have been expanding, focusing this work on its application in the purification of gas streams. The separation of carbon dioxide from methane is very important in the purification process of natural gas. The presence of CO2 reduces the heating value of natural gas, causes corrosion problems in pipes and equipment and is emited as an atmospheric poluent during natural gas combustion. In this work we used liquid vapor equilibrium data for CO2 systems with ionic liquids and other non-volatile solvents, analyzing the non-ideality of these systems, thus trying to understand better the mechanism that controls the solubility of this gas. The non-ideality for systems of CH4 and ionic liquids was also analyzed. The prefered sorption of CH4 and CO2 in different ionic liquids was studied, using the definition of solubility selectivity. In order to analyze how thermodynamic properties of ionic liquids influence the solubility of these gases, the effect of molar volume and surface tension of these solvents was analyzed.