New generation adsorbents for gas separation: from modeling to industrial application

Abstract

Teniendo en cuenta el rápido aumento de la población y el crecimiento en el consumo de energía como consecuencia de grandes progresos en transporte y tecnología, el desarrollo sostenible es de especial relevancia pues sugiere la búsqueda de formas de mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero, incluyendo la captura y almacenamiento de carbono (o utilización), la eficiencia energética, fuentes alternativas de energía y ahorro de energía, como ya se ha sugerido por el protocolo de Kioto y los informes del IPCC. De ahí que en los últimos años se haya dedicado un esfuerzo considerable a desarrollar tecnologías para la captura y almacenamiento de CO2 a partir de fuentes concentradas de emisión. Además de establecer nuevas tecnologías, durante las últimas décadas la ciencia de materiales sólidos porosos se ha convertido en una de las áreas más intensas de investigación y desarrollo para químicos, físicos y científicos de materiales. De hecho, se ha avanzado considerablemente en el desarrollo de nuevos adsorbentes para diversos procesos de separación. Por ejemplo, las estructuras órgano-metálicas (MOFs) han ido ganando considerable atención como materiales prometedores para aplicaciones de almacenamiento y separación de gases, debido a sus propiedades excepcionales. Sin embargo, es necesaria una comprensión a nivel molecular de la adsorción de gases para acelerar el diseño y desarrollo de aplicaciones a la carta. También es fundamental conocer el comportamiento bajo condiciones de humedad e impurezas, como se tiene normalmente en aplicaciones industriales específicas. El trabajo desarrollado en esta Tesis Doctoral destaca el uso de técnicas de simulación molecular para la optimización de procesos relacionados con el medio ambiente. El objetivo general se centra en avanzar en el campo de materiales para la captura y separación de dióxido de carbono a condiciones de proceso. Se considera de manera explícita la influencia del vapor de agua e impurezas, tanto a la luz de los fundamentos de la adsorción como en la aplicación para la captura de CO2 por post-combustión mediante ciclos de adsorción por oscilación. Partiendo de una breve descripción de los fundamentos de la adsorción y de las simulaciones moleculares, se presenta una revisión exhaustiva de estudios recientes de materiales para captura y separación de CO2, proporcionando así información valiosa para su aplicación industrial. Basados en esta revisión, se han estudiado en detalle algunos de los materiales más prometedores para un proceso de adsorción por cambio de temperatura (TSA) basado en simulaciones moleculares, proponiéndose un nuevo procedimiento para la evaluación y optimización de los sistemas de captura en condiciones reales. Dada la gran influencia de trazas de agua en la separación, se investiga también el CuBTC (uno de los MOF más estudiados y estables en agua) en comparación con la zeolita de referencia 13X. Se examina en detalle el efecto de las especies coexistentes, así como la influencia del agua y SO2 en los gases de combustión, con el fin de llegar a una mejor comprensión de la capacidad de adsorción, la selectividad, la localización de las moléculas en el material, las distribuciones de calor isostérico y su relación con el proceso. Asimismo, se han llevado a cabo estudios paramétricos detallados para una investigación comparativa de la separación de mezclas multi-componentes de gases de combustión mediante el uso de otras zeolitas como caolinita y chabacita. Y finalmente, se presenta un trabajo adicional relacionado con otro problema medioambiental: la separación de un contaminante (ibuprofeno) en agua, mediante el uso de carbones activados, usando las mismas técnicas computacionales, demostrando así la versatilidad de las herramientas empleadas para este tipo de sistemas.

Given the rapid increase in population and the growth in energy consumption as a consequence of major developments in transportation and technology, sustainable development is of special relevance, suggesting ways to mitigate greenhouse gases emissions, including carbon capture and storage (or utilization, CCSU), energy efficiency, alternative energy sources and energy savings, as already suggested by the Kyoto’s Protocol and the IPCC reports. Hence, much effort has been devoted in recent years to develop technologies for capture and storage of CO2 from concentrated sources of emission. Apart from establishing new technologies, over the last decades the science of porous solid materials has become one of the most intense areas of research and development for chemists, physicists, and materials scientists. In fact, considerable progress has been made in recent years on the development of novel adsorbents. For instance, Metal Organic Frameworks (MOFs) have been gaining considerable attention as promising nanoporous materials for gas storage and gas separation applications due to their exceptional physical and chemical properties, and have already been demonstrated to be promising materials in the separation of different gases, however, a molecular level understanding of gas adsorption in the pores is crucial to accelerate the design and development of these and other applications. It is also fundamental to know their behavior under moisture conditions and impurities content, as normally found at specific industrial applications. The work developed in this Thesis highlights the use of molecular simulation techniques for optimizing environmental related processes, providing new procedures to assess the use of these materials from their fundamental knowledge until their applications at industrial conditions. The overall objective is to advance in the field of materials for CO2 capture and separation at process conditions. The influence of water vapor and impurities is explicitly considered, both, in the light of the fundamentals of adsorption and in the application for post-combustion carbon dioxide capture by swing adsorption cycles. Starting from a brief description of the fundamentals of adsorption and molecular simulations, a novel throughout review on recent studies of materials for CO2 capture and separation is presented, thus providing valuable information to assess their industrial application. Based on this review, some of the most promising materials for CO2 separation in a Temperature Swing Adsorption (TSA) process have been studied in detail by using molecular simulations (compared to experimental data when available), proposing a new process for the evaluation and optimization capture systems under real conditions. In addition, given the great influence of water as a trace compound on the separation, CuBTC (one of the most studied MOFs, stable in water and with potential for industrial application) has been investigated in comparison to the benchmark zeolite 13X. The effect of the coexisting species as well as the influence of water and SO2 in flue gas is examined in detail in order to reach a better understanding of the adsorption capacity, selectivity, adsorption density location and isosteric heat distributions. And finally, detailed parametric studies have been carried out for a comparative computational investigation for separating of multi-component mixtures of flue gas by using other representative zeolites such as kaolinite and chabazite. Additional work, related to another environmental problem: the separation of a pollutant (ibuprofen) in water, by using activated carbons, is also presented here, demonstrating the versatility of the tools used for these types of systems.