1. KATEDRA TECHNOLOGII CHEMICZNEJ
POLITECHNIKA GDAŃSKA
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
Robert Aranowski
Czyste technologie węglowe i CCS – wychwytywanie i magazynowanie dwutlenku węgla
– zagrożenie czy szansa dla gmin i przedsiębiorstw w regionie łódzkim?
Łódź 26.11.2010
„SEPARACJA DWUTLENKU WĘGLA”
2. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Plan prezentacjiPlan prezentacji
• Wstęp
• Charakterystyka gazów zawierających CO2
• Metody wychwytu CO2
– Podział metod
– Wady i zalety
• Metody separacji CO2
– Podział metod
– Wady i zalety
• Metody membranowe
– Podział metod
– Wady i zalety
• Badania własne separacji CO2 z zastosowaniem SILM
• Podsumowanie
2
3. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Stężenie COStężenie CO22 w różnych rodzajach gazów spalinowychw różnych rodzajach gazów spalinowych
Rodzaj spalin Stężenie CO2 [% v/v]
Gazy spalinowe z elektrowni
- kotły węglowe 14
- kotły gazowe <8
- gaz ziemny w cyklu kombinowanym 4
- spalanie węglowo-tlenowe >80
Spaliny z pieców hutniczych
- przed spaleniem 20
- po spaleniu 27
Pozostałe
- gazy z wypalania cementu 4-23
- petrochemia i rafinerie 8
3
4. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Skład biogazu
Składnik I II II
Metan 60-65 % 45-50 % 45 – 80%
Dwutlenek węgla 34-38 % 35-45 % 35 – 55 %
Azot 0 % 4-16 % 0 %
Tlen 0 % 1-4 % 0 %
Para wodna 1-1,4 % 1-1,4 % 1-1,4 %
Związki siarki 200 mg/m3
150 mg/m3
20-200 mg/m3
Związki chloru 100 mg/m3
50 mg/m3
-
Związki fluoru 20 mg/m3
25 mg/m3
-
4
I - gaz wysypiskowy przy naturalnym wypływie gazu ze złoża
II - gaz wysypiskowy przy odsysaniu i dobrym uszczelnieniu hałdy
III - gaz pochodzący z metagenezy odpadów organicznych
5. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Wychwytywanie COWychwytywanie CO22
5
6. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Wychwyt COWychwyt CO22 ze spalinze spalin
6
SPALANIE
SEPARACJIA CO2
PALIWO
POWIETRZE
CO2
GAZY SPALINOWE
N2, O2, H2O
OSUSZANIE, SPRĘŻANIE,
TRANSPORT I
SKŁADOWANIE CO2
• Niskie stężenie CO2 w spalinach 5-16%
• Niskie ciśnienie spalin
• Spaliny zanieczyszczenie NOx, SOx, pyłami
• Obniżenie sprawności energetycznej
układu o 5,5-11%
Instalacja absorpcji CO2 dla kotła 500 MWe
7. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Wychwyt COWychwyt CO22 przed procesem spalaniaprzed procesem spalania
7
ZGAZOWANIE
KONWERSJA CO
PALIWO
POWIETRZE
CO2
GAZY
H2
OSUSZANIE, SPRĘŻANIE,
TRANSPORT I
SKŁADOWANIE CO2
SPALANIE
POWIETRZE
H2O, N2
H2O
Obniżenie sprawności energetycznej układu
o 6-8% dla CO2 ciekłego i 4-5% dla CO2
gazowego
W przypadku konwersi CO z gazu
oczyszczonego sprawności energetycznej
układu obniża się o 7-10% dla CO2 ciekłego i
4-7% dla CO2 gazowego
8. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Technologia OxyfuelTechnologia Oxyfuel
8
SEPARACJA
SPALANIE
POWIETRZE
CO2
O2
OSUSZANIE, SPRĘŻANIE,
TRANSPORT I
SKŁADOWANIE CO2
SEPARACJA
N2
PALIWO
N2
• Wysokie stężenie CO2 w
spalinach do 80
• Znaczne zmniejszenie ilości
spalin do 40%
• Zmniejszenie komory
spalania i układu
oczyszczania gazów
• Podwyższenie temperatury
spalanie
• Zmniejszenie ilości
powstających NOx
• Wzrost sprawności kotła
• Obniżenie sprawności
energetycznej układu o 3,5-
9%
9. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Proces HydrocarbProces Hydrocarb
9
HYDROZGAZOWANIE
ROZKŁAD
/KONWERSJA CH4
GAZY
SYNTEZA METANOLU
PALIWO
KAMIEŃ WAPIENNY
WĘGIEL
H2
H2O POPIOŁY
CO, H2
• W przypadku
hydrozgazowania węgla
konieczne są duże ilości
wodoru
• Możliwość pozyskania
paliw płynnych
10. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Ogniwa paliwoweOgniwa paliwowe
10
REFORMING/
ZGAZOWANIE
SPALANIE
(OGNIWO PALIWOWE)
PALIWO
CO2
H2, CO
OSUSZANIE, SPRĘŻANIE,
TRANSPORT I
SKŁADOWANIE CO2
SEPARACJA
O2, (CO2)
CO,H2
O2, (CO2)
• Wysokotemperaturowe
• Tlenkowe SOFC
• Na stopionych węglanach MCFC
• Niskotemperaturowe
• Kwasowe PAFC
• Membranowe/polimerowe
PEMFC/PEFC
• Alkaiczne AFC
Obniżenie sprawności energetycznej układu
o 1,5-14,3% w przypadku spalanie węgla i o
1,0-2,4% w przypadku spalania gazu
ziemnego
11. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Technologie separacji COTechnologie separacji CO22
11
12. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Metody absorpcyjne, absorpcja chemiczna i fizycznaMetody absorpcyjne, absorpcja chemiczna i fizyczna
• Wodne roztwory amin
– Monoetanoloamina MEA
– Dietanoloamina DEA
– Diglikoloamina DGA
– Metyldietanoloamina MDEA
– Aminy z zawadą przestrzenną
• Węglan potasu lub sodu
• Wodny roztwór amoniaku
• Wodorotlenek sodu
12
ZALETY
•MEA uważana jest za najlepszą ciecz absorpcyjną
względem CO2 (98-99%),
• ma zdolność do absorbowania CO2 w warunkach
niskiego ciśnienia i zdolności do regeneracji
WADY
•MEA ulega procesom degradacji na drodze
redukcji z SOx , NOx i tlenem
•korozja w absorberach i regeneratorach
Absorpcja fizyczna
W metodzie tej wykorzystywane są organiczne i
nieorganiczne ciekłe sorbentu typu: metanol ( Rectisol),
glikol (Selexol), węglan propylenowy (Fluor), Sulfolan
(Sulfinol),
13. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Metody adsorpcyjneMetody adsorpcyjne
• Proces adsorpcji składa się z dwóch
cykli: adsorpcji i odzyskiwania CO2
(regeneracja adsorbentu )
– PSA, Pressure Swing Adsorption
– TSA, Temperature Swing Adsorption
– VPSA, Vacuum Pressure Swing Adsorption
– URPSA, Ultra-rapid Pressure Swing Adsorption
– ESA, Electric Swing Adsorption
• Adsorbenty stosowane w procesie
separacji CO2 to:
– Węgiel aktywny
– Zeolity naturalne i syntetyczne
– Żel krzemionkowy i glinowy
– Tlenek glinu aktywowany
13
ZALETY
•najbardziej korzystną techniką adsorpcyjną jest PSA, w
której w porównaniu do innych technik istnieje mniejsze
zapotrzebowanie na adsorbent uzyskuje się wysoką czystość
gazu przy niskim zapotrzebowaniu na energię
WADY
•istotny wpływ składników spalin (szczególnie H2O) w
prowadzeniu procesu
• mogą przeszkadzać ziarna pyłu zawarte w spalinach,
mogące dezaktywować miejsca adsorpcyjne
14. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Połączenie procesu adsorpcji i absorpcji chemicznejPołączenie procesu adsorpcji i absorpcji chemicznej
Połączeniem procesu adsorpcji i absorpcji chemicznej jest proces, w którym
CO2 jest chemicznie absorbowany przez węglan potasu, sodu osadzony na
węglu aktywnym, materiałach zeolitowych, w wyniku czego powstaje
wodorowęglan potasu, sodu
14
K2CO3 + CO2 + H2O → 2KHCO3
Na2CO3 + CO2 + H2O → 2 NaHCO3
Proces egzotermiczny
ΔH = -141,2 kJ/mol K2CO3
2KHCO3 → K2CO3 + CO2 + H2O
2 NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O
T> 150°C
Proces endotermiczny
ΔH = 141,2 kJ/mol K2CO3
proces można prowadzić
cyklicznie dzięki temu , iż węglan potasu,
sodu osadzony jest na porowatym nośniku
– węglu aktywnym, zeolicie
- uzyskuje się wysoką czystość CO2 >99%
- skuteczność odzysku CO2 -95%
Karbonizacja Regeneracja
SPALINY
GAZY
OCZYSZCZONE
CO2, H2O
GAZ INERTNY
15. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Metody kriogeniczneMetody kriogeniczne
Kriogeniczna separacja CO2ze strumieni
spalin kotłowych obejmuje wielofazowe
sprężanie i chłodzenie sprężanego gazu
do odpowiedniej temp. a następnie
wydzielanie CO2 w postaci ciekłe
Metodę zaleca się stosować, gdy stężenie
CO2 w spalinach kotłowych przekracza
20% obj.
15
Związek Tw [°C]
Dwutlenek węgla - 78 (sublimacja)
Metan -162
Tlen -183
Azot -196
Argon -186
ROZDZIELANIE
POWIETRZA
POWIETRZE
SPALANIE
SKRAPLANIE/
ROZDZILANIE CO2
CO2 do zagospodarowaniaN2
O2 SPALINY
GAZ OCZYSZCZONYGAZ ZAWRACANY
16. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Metody membranoweMetody membranowe
16
17. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Metody membranoweMetody membranowe
17
18. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Zimmobilizowane membrany ciekłeZimmobilizowane membrany ciekłe
(Supported Ionic Liquids Membrane-SILM)(Supported Ionic Liquids Membrane-SILM)
18
SILM składają się z porowatego, polimerowego nośnika
wysycanego cieczą jonową stanowiącą tzw. fazę membranową.
19. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Rozkład wielkości porów nośnika
Polieterosulfon (PES)
Poliamid (nylon)
Polifluorek winylidenu (PVDF) Polipropylen (PP)
Średnia wielkość porów
0,2
Nośnik polimerowy Skrót Gęstość [kg/m3
]*
Grubość membrany
[µm]*
Polieterosulfon PES 1790 123
Poliamid Nylon 1130 110
Polipropylen PP 900 92
Polifluorek winylidenu PVDF 1370-1510 148
20. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Ciecze jonoweCiecze jonowe
Ciecz jonowa to związek chemiczny, organiczny składający się z kationu i
anionu. Sól ta charakteryzuje się temperaturą topnienia poniżej temperatury
wrzenia wody.
Możliwa liczba kombinacji kation–anion
1018
20
21. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Cechy cieczy jonowychCechy cieczy jonowych
• Ciekłe w temperaturze umiarkowanych (< 100°C)
• Rozpuszczają związki nieorganiczne i organiczne
• Stabilne termicznie – wysoka temperatura wrzenia
• Niska prężność par w temp. pok. (są niepalne)
• Mogą być hydrofobowe jak i hydrofilowe
• Zachowują aktywność enzymów i rozpuszczają je
• Zwilżają powierzchnię metali, polimerów i minerałów
• Wykazują działanie katalityczne
• Ekstrahują związki siarki z oleju napędowego
• Wykazują działanie smarujące
• Rozpuszczają celulozę i jej pochodne
• Przewodzą prąd
• Wykazują właściwości antyelektrostatyczne
• Wykazują aktywność wobec bakterii i grzybów
• Balsamują tkanki (zamiennik formaliny)
• Konserwują drewno i papier
21
22. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Temperatura topnienia soli imidazoliowychTemperatura topnienia soli imidazoliowych
[C2mim] [PF6];
[C2mim] [BF4];
[C2mim] [TfO];
[C2mim] [Tf2N]
22
Anion Temperatura topnienia [°C]
Cl 87
PF6 58–60
NO2 55
CH3CO2 45
NO3
38
CF3
CF2
CF2
CF2
SO3
28
CF3
CO2
14
CF3
SO3
9
BF4
6
(CF3
SO2
)2
N 4
N
N
CH3
C2H5+
A-
[C2mim] [A]
23. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Zalety cieczy jonowej jako absorbentaZalety cieczy jonowej jako absorbenta
• Temperaturę topnienia nie
przekracza 100°C
• Stosunkowo dobra stabilność
termiczna
• Posiadają dużą selektywność
(absorbują CO2 przy jednoczesnej
niewielkiej koabsorpcji innych
gazów)
• Praktycznie niemierzalna prężność
par (nie powodują wtórnego
zanieczyszczenia strumienia
oczyszczanego gazu)
23
Rozpuszczalnik Prężność par [hPa]*
Aceton 233
Metanol 128
Trichloroetylen 77
Heptan 48
Woda 23
Ciecze jonowe <0,1
* Merck KGaA. Germany.
24. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Wady cieczy jonowej jako absorbentaWady cieczy jonowej jako absorbenta
• Ciecze jonowe są potencjalnym zagrożeniem dla środowiska
wodnego (kation imidazoliowy działa podobnie jak toluen i
dichlorometan)
• Spalanie cieczy jonowych generuje toksyczne gazy (F2 czy HF)
• Problem z otrzymaniem chemicznie czystej cieczy jonowej
(obecność soli, kolor, zapach)
• Problem z utylizacją zużytych cieczy jonowych
• Nieznana lub słabo znana toksyczność cieczy jonowych
• Wysoka lepkość, szczególnie dla podstawionych
długołańcuchowymi podstawnikami alitatycznymi
24
25. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Prężność cząstkowa COPrężność cząstkowa CO22, C, C22HH44, C, C22HH66, CH, CH44 i Oi O22 w zależności odw zależności od
stężenia w roztworze [BMIM][PFstężenia w roztworze [BMIM][PF66] w temperaturze 25°C*] w temperaturze 25°C*
25
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
0,0
3,0x10
5
6,0x10
5
9,0x10
5
1,2x10
6
1,5x10
6
Ciśnienie(Pa)
Ułamek molowy CO2
CO2
C2
H4
C2
H6
CH4
Ar
O2
* Brennecke, J.F., Maginn, E.J., 2002, Purification of gas with liquid ionic compounds, US, 10/113,400, 1-16,
26. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Właściwości fizykochemiczne cieczy jonowychWłaściwości fizykochemiczne cieczy jonowych
stosowanych w eksperymentachstosowanych w eksperymentach
26
Ciecz
jonowa
Wzór chemiczny
Gęstość
[g/cm3
]
Lepkość
[mPa·s]
Rozpuszczalność
[mol/(dm3
·atm)]
Temperatura
topnienia [o
C]
[EMIM]
[Tf2
N]
[C6
N2
H11
]+
[(CF3
SO2
)2
N]-
1,52 2,6 0,090 -3
[EMIM]
[TfO]
[C6
N2
H11
]+
[CF3
SO3
]-
1,39 55,6 0,074 -9
Stosowano imidazoliowe ciecze jonowe posiadające w strukturze kation
1-etylo-3-metyloimidazoliowy [EMIM] i aniony fluoroalkilowe
bis((trifluorometylo)sulfonylo)imidu [Tf2N] oraz trifluorometylosulfonian [TfO] , które
selektywnie separują ditlenek węgla.
[EMIM][Tf2N] [EMIM][TfO]
27. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
OddziaływanieOddziaływanie cieczy jonowej z nośnikiem polimerowymcieczy jonowej z nośnikiem polimerowym
27
Nośnik Ciecz jonowa
Masa
Nośnika
[g]
Masa
SILM
[g]
Przyrost masy
[%]
Przyrost
grubości
membrany [%]
PVDF [EMIM][Tf2
N] 0,110 0,444 75,2
27,6
PVDF [EMIM][TfO] 0,114 0,410 72,0
Nylon [EMIM][Tf2
N] 0,057 0,241 76,1
0
Nylon [EMIM][TfO] 0,057 0,239 76,0
PES [EMIM][Tf2
N] 0,053 0,300 82,2
1,3
PES [EMIM][TfO] 0,051 0,270 80,5
PP [EMIM][Tf2
N] 0,030 0,229 87,1
0
PP [EMIM][TfO] 0,029 0,191 84,6
28. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
OddziaływanieOddziaływanie cieczy jonowej z nośnikiem polimerowymcieczy jonowej z nośnikiem polimerowym
• Największy przyrost masy miał miejsce w przypadku
immobilizacji cieczy jonowej [EMIM][Tf2N] w porach
nośnika wykonanego z PP
• Nośnik PVDF charakteryzował się najmniejszym
przyrostem masy po immobilizacji, ale największym
przyrostem grubości (pęcznienie membrany -
zmniejszenie porów)
• Ze względu na niższą lepkość ciecz jonowa [EMIM]
[Tf2N] posiadała większą zdolność do immobilizacji w
porach wszystkich badanych nośników, w
porównaniu z cieczą [EMIM][TfO]
28
Nośnik przed immobilizacją
Nośnik po immobilizacją
29. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Metodyka wyznaczania współczynników dyfuzji
29
1 termostat, 2 – zasobnik ciśnieniowy CO‑ 2, 3 – zasobnik
ciśnieniowy CH4, 4 – zasobnik ciśnieniowy N2, 5, 6, 7 – zawory
redukcyjne, 8 zawór iglicowy, 9 – rotametr, 10 – elektroniczny‑
przekaźnik ciśnień, 11- elektroniczny czujnik temperatury, 12,13,14
– miejsca poboru gazów do analizy, A część komory z gazem‑
obojętnym, B – część komory z biogazem.
Metodyka wyznaczania:
• wypełnienie przestrzeni permeatu gazem
obojętnym – N2
• wypełnienie przestrzeni nadawy mieszaniną
dwutlenku węgla (IV) i azotu o określonym
stężeniu (30, 50 100% CO2)
• rejestracja wzrostu ciśnienia w permeacie i
spadek ciśnienia w nadawie
• Obliczenia strumienia przenikającego gazu
CO CH N
1
2
3 4
5
6
7
8
9
10
11
12
1314
B A
42 2
30. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Wyniki dyfuzji COWyniki dyfuzji CO22 przez SILMprzez SILM
30
Zależność dyfuzji od prężności cząstkowej CO2 dla nośników PVDF, PP, Nylon, PES
wysyconych:
[EMIM][Tf2N][EMIM][TfO]
0,0 2,0x10
4
4,0x10
4
6,0x10
4
8,0x10
4
1,0x10
5
5,0x10
-5
1,0x10
-4
1,5x10
-4
2,0x10
-4
2,5x10
-4
Strumieńmolowy(mol/m
2
s)
Prężność cząstkowa CO2
(Pa)
PVDF
PP
Nylon
PES
0,0 2,0x10
4
4,0x10
4
6,0x10
4
8,0x10
4
1,0x10
5
0,0
5,0x10
-5
1,0x10
-4
1,5x10
-4
2,0x10
-4
2,5x10
-4
3,0x10
-4
Strumieńmolowy(mol/m
2
s)
Prężność cząstkowa CO2
(Pa)
PVDF
PP
nylon
PES
Strumień molowy tlenku węgla (IV) w SILM
32. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
PodsumowaniePodsumowanie
• Dyfuzja CO2 przebiegała najszybciej dla membran, w której nośnikiem był
PES, a fazę membranową stanowiła ciecz [EMIM][Tf2N]
• Głównym parametrem warunkującym przenikanie gazu przez SILM jest
lepkość cieczy, dlatego też współczynniki dyfuzji i przepuszczalności
większe są w membranach z cieczą [EMIM][Tf2N] niż [EMIM][TfO]
• Z pośród badanych nośników lity PES charakteryzuje się największą
przepuszczalnością ditlenku węgla (2,6 barrera) *
• Na najniższy współczynnik dyfuzji dla membran, w których nośnikiem był
PVDF mogło mieć wpływ zmniejszanie się porów membrany na etapie
wysycenia IL’s (pęcznienie membrany)
32
*) A. Bos, I.G.M. PuÈnt, M. Wessling*, H. Strathmann, CO2-induced plasticization phenomena in glassy polymers, J.Membr.Sci., 1999. 155: p. 67-78
**) P. Scovazzo,J. Kieft, D.A. Finan, C. Koval, D. DuBois, R. Noble, Gas separations using non-hexafluorophosphate [PF6]−anion supported ionic liquid
membranes. J. Membr. Sci., 2004. 238: p. 57-63.
33. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
PodsumowaniePodsumowanie
Zastosowanie technologii unieruchomionych ciekłych membran
umożliwi:
– drastyczne ograniczenie stosowanych absorbentów,
– obniżenie zużycia energii,
– ciągłą pracę modułu separacyjnego (w odróżnieniu od
tradycyjnych rozwiązań - układ absorber - desorber),
– aplikację nowatorskich cieczy absorbujących,
– zastosowanie, jako fazy membranowej, związków działających
selektywnie i nie ulegających wymywaniu/odparowaniu z porów
membrany w trakcie procesu, co doprowadzi do znacznego
poprawienia stabilności ciekłej membrany,
– zastosowanie absorbentów selektywnie pochłaniających CO2 o
wysokich współczynnikach dyfuzji umożliwi zwiększenie szybkości
separacji CO2.
33
34. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
PodsumowaniePodsumowanie
• Wybór metody usuwania CO2zależy od wielu czynników, do
głównych można zaliczyć:
– Warunki procesowe
– Skład paliwa i oczyszczanego gazu
– Ciśnienia gazów spalinowych
– Stężenia CO2
– Natężenia przepływu oczyszczanego gazu.
34
Editor's Notes
barrery [1010 cm3 ·cm/STP/·(cm-2·s-1 cm·cmHg-1]
The best results of CO2 separation were obtained for PES and [EMIM][Tf2N] as a carrier
głównym parametrem warunkującym przenikanie gazu przez SILM jest lepkość cieczy, dlatego też współczynniki dyfuzji i przepuszczalności większe są w membranach z cieczą [EMIM][Tf2N] niż [EMIM][TfO]
The lowest difusion coefisient was obtained for SLM with PVDF as support. mogło mieć wpływ zmniejszanie się porów membrany na etapie wysycenia IL’s